(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型層と、ｐ型層と、前記ｎ型層とｐ型層との間に介在するとともに光λを放射可能な放射層とを有する、反転型ＩＩＩ−窒化物材料ヘテロ接合デバイス、及び
２つの電極であって、前記２つの電極の一方は、前記ｎ型層に接続されたｎ型電極であり、前記２つの電極の他方は、前記ｐ型層に接続されたｐ型電極であり、且つ、前記電極の各々は、前記発光層によって放射される光に対し８０％を超える垂直入射反射率を有しており、前記ｎ型電極は銀で形成され、前記銀はニッケル又はチタンの、良好な付着性と低減されたコンタクト抵抗と高い反射率が得られるような非常に薄い層を介して前記ｎ型層に接続している前記２つの電極、を含むことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記ｐ型電極の吸収率は、１０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記ｎ型電極の吸収率は、２０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記ｐ型電極は、銀で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記ｐ型電極は、アルミニウムで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
基板を更に備えるとともに、前記ｎ型層及びｐ型層が、前記基板と前記ｎ型及びｐ型電極との間に挟まれ、且つ、光が前記基板を介して逃がされるように、前記基板が前記ヘテロ接合デバイス上に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記基板は、サファイアで形成されたことを特徴とする請求項６に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記基板は、炭化珪素で形成されたことを特徴とする請求項６に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記基板は、窒化ガリウムで形成されたことを特徴とする請求項６に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全体として半導体発光デバイスに係り、特に、高反射率オーミックコンタクトを有するＩＩＩ−窒化物系発光ダイオードデバイスに関する。
尚、本出願は、１９９９年１２月２２日に出願し審査過程にある米国一部継続出願番号０９／４７０，４５０を基にしたものである。
【０００２】
【従来技術】
「ＩＩＩ−窒化物」材料系は、第ＩＩＩ族元素及び窒素を主要元素とした第Ｖ族元素を任意に組み合わせたものであり、電子又は光電子デバイスの製造に使用される半導体を形成する。この材料系には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、及び、ＧａＩｎＰＮが含まれるが、これらに限定されるものではない。ＩＩＩ−窒化物材料系は、紫外線波長領域から赤色スペクトル波長領域までの光量子エネルギーを有する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ＬＥＤとしては、発光ダイオード、レーザダイオード等が挙げられる。
【０００３】
通常、ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤは、有機金属の気相エピタキシ法等の成長法によってｐ−ｎ接合を形成するように適切な成長基板上に堆積されたエピタキシャル層を有する。ＩＩＩ−窒化物半導体デバイスの製造に関しては、いくつかの固有の課題がある。現在、ＩＩＩ−窒化物基板は市販されていないため、サファイア又はＳｉＣ等の格子不整の基板上でエピタキシャル成長を行なわざるを得ない。「接合（ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｕｐ）」ＬＥＤとも呼ばれる従来のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤダイのエピタキシ−上方（ｕｐ）型配向では、光を、上面から外部に、即ち、ｐ型ＩＩＩ−窒化物層を介して外部に取り出す必要がある。しかし、ＧａＮのような高抵抗のｐ型ＩＩＩ−窒化物層では、十分な電流拡散効果を得るために、ｐ型材料表面上に金属被覆を堆積する必要がある。この種金属は光を吸収するために、通常、非常に薄いｐ型電極の金属被覆（例えばＮｉ／Ａｕ）を使用して、その上面から光を逃がすことができるようにしている。しかし、これらの薄い半透明層でも、かなりの光量が吸収されてしまう。標準的な厚み１００ÅのＡｕを想定し、（酸化して透明なＮｉＯｘを形成する）Ｎｉを無視する場合、この半透明のｐ型電極に吸収される光量は、λ＝５００ｎｍでの１通過当り〜２５％である。高い電流密度では、金属被覆の厚みを増加して、活性領域への電流注入を均一に保つとともに、ワイヤーボンドパッド周辺で大半の光が発生するのを防ぐ必要がある。金属の厚みを増加すると、光吸収率も高まるのでデバイスの取出し効率は低下してしまう。言うまでもなく、このトレードオフは、（>４０Ａ／ｃｍ2、即ち、〜０．３５×０．３５ｍｍ2の接合面積に〜５０ｍＡの）高電流密度での動作用のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤの設計においては回避すべきである。
【０００４】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の光取出し効率は、ＬＥＤの外部量子効率とＬＥＤの内部量子効率との比として定義される。ＬＥＤの外部効率は、ＬＥＤの製造に使用される半導体の外部に光がどのくらい効率良くつながれているかに強く依存している。パッケージＬＥＤの光取出し効率は、通常、実質的に１未満であり、ＬＥＤの活性領域で生じる光の多くは、外部環境に到達しない。
【０００５】
接合ＬＥＤの光取出し効率は、広範囲の半透明ｐ型金属被覆における光吸収によって制限されたものとなる。特に、以下に述べるように、これまでに反射ｐ型コンタクトの使用については開示されてきた。しかし、通常、このｐ型コンタクトは合金又は多層構造であり、一方、ｎ型コンタクトはＡｌ又はＡｕの厚い層で覆われたＴｉ又はＶの比較的薄い層を有する多層構造で構成される。「接合」ＬＥＤでは、半透明ｐ型コンタクトにおける光吸収率が非常に高いので、ｎ型コンタクトの反射率の重要性は低かった。
【０００６】
従来のＧａＮ系ＬＥＤは、２つの方法のいずれかで製造される。１つの方法では、光は、主に、エピタキシャル層が形成されるデバイス上面側から集められる。この場合、半導体から放たれた光は、半透明コンタクトを通過しなくてはならない。このコンタクトは、材料で生成された光のかなり割合を吸収してＬＥＤの効率を低下させる。一方、市販のＬＥＤは、ＳｉＣ基板上に作製され、１つのコンタクトがチップの上面上に、もう１つのコンタクトがチップの底面上に取り付けられる。この構造には、生成された光の大部分がＳｉＣ基板によって吸収されてしまうという欠点がある。いずれの形式のＬＥＤにおいても、ｎ型及びｐ型コンタクトは、反射体としての能力に乏しく、デバイスが生成した光のかなりの割合を吸収してしまう。
【０００７】
図１は、Ｎａｋａｍｕｒａらが米国特許第５，５６３，４２２号に開示した典型的な従来技術であるサファイア製基板を用いた「接合」ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを示す。非ドープ及びドープＩＩＩ−窒化物層が活性領域を取り囲んでいる。この基板は電気絶縁材であるため、ｐ型領域及びｎ型領域に対するコンタクトが、ＬＥＤの同じ側（上面）で生じるような非平面的なデバイス外形が必要とされる。また、２つのワイヤーボンドパッドをデバイス上面に設ける必要がある。ｎ側ワイヤーボンドパッドも、ＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層に対して電気接続するためのオーミック電極である。ｐ型ＩＩＩ−窒化物層の抵抗率が高いため、電流拡散は、ｐ型ＩＩＩ−窒化物層に電気接続された薄い半透明の（部分的吸収性を持つ）ＮｉＡｕオーミック電極によって生じるようにする必要がある。光取出し効率は、このオーミック電極及び２つのボンディングパッドに覆われる表面積の大きさによって制限される。オーミック金属層及びボンドパッド金属層に関連する光損失は、サファイア製基板（ｎ〜１．８）上のＩＩＩ−窒化物材料（ｎ〜２．４）の光誘導特性により顕著化する。更に、好適な電極は、両者を合金化した又は多層構造の形とした２つ又はそれ以上の金属を含む金属材料で形成される。上記コンタクトは、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、クロム（Ｃｒ）、及び、チタン（Ｔｉ）を組み合わせて形成することも可能であるが、好適なｐ型電極は、多層Ｎｉ／Ａｕコンタクトである。開示されたｎ型コンタクトも、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、又は、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕを好ましい組み合わせとした多層構造とされている。
【０００８】
従来技術としての欧州特許０９２１５７７Ａ１において、Ｉｎｏｕｅらは、スーパーストレート構造、即ちサファイア成長基板、を通して、光の大部分が上方に逃がされるようにしたエピタキシ−サイドダウン構造、即ち反転構造、を有するＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。そのデバイス設計によれば、活性接合領域を維持した状態でダイ寸法をできるだけ小さくすることができる。電極は、可視光に対しかなりの吸収性を持つＮｉ及びＡｕで作られる。ｎ型電極は、Ｔｉ及びＡｕの多層膜で作られる。このデバイスは高反射率のｐ型電極金属被覆を欠いているため、光取出し効率に関しては制約があり、従来の（エピタキシ-サイドアップ型）デバイスを超える有意な改良をもたらすものではない。また、このデバイスは、小さく（＜４００×４００μｍ2）、更に、パッケージに対する小面積のはんだ結合を使用するため、発光能力に限りがある。結果的に、このデバイスは、低屈折率のサファイア製スーパーストレートに起因して、誘導光がＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層内で捕捉されるために効率面の課題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術としての欧州特許０９２６７４４Ａ２において、Ｋｏｎｄｏｈらは、サファイア製スーパーストレートを使用した反転型ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。ｐ型電極は、銀を基盤としている（即ち、第１層を銀とした多層電極である）。銀層は、光に対する高い反射率を持つため、光取出し効率は、Ｉｎｏｕｅらが開示したデバイスより高くなる。しかし、ＩＩＩ−窒化物材料に対するＡｇの付着性は弱い。Ａｇは、焼きなましの際に凝集し、反射率及びシートのオーミックコンタクト挙動に関する完全性を破壊する可能性がある。ｎ型電極は、１０ｎｍのＴｉ層を有する従来のＴｉ／Ａｌ多層電極である。このＴｉ層を持つことにより、付着性が改善されコンタクト抵抗も低減するが、同時に、コンタクトの光反射能が低下してしまう。このデバイスは、比較的小さく（＜４００×４００μｍ2）、更に、パッケージに対する小面積のはんだ結合を使用するため、その発光能力は制限される。結果的に、このデバイスは、低屈折率サファイア製スーパーストレートに起因して、誘導光が、ＩＩＩ−窒化物エピタキシ内で捕捉されるため効率面の課題がある。
【００１０】
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３３（２４）、２０６６−２０６８ページに、Ｍｅｎｓｚらは、サファイア製スーパーストレートを使用した反転型ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。このデバイスは、Ｎｉ／Ａｕより高い反射率をもたらすＮｉ／Ａｌ及びＮｉ／Ａｇの２層金属ｐ型電極を用いている。しかし、これら２層金属ｐ型電極の反射率は、比較的低い状態のままである。ｐ型電極のＮｉ層は。ｐ型電極の付着層として使用される。ｎ型電極は、ＴｉＡｌ電極であるが、Ｔｉ層の厚みの詳細は不明である。多層金属ｐ型電極を使用する利点やそうする理由は多くある（例えば、半導体に対する付着性、又は、オーミックコンタクトを容易にする点にある）。このような追加層を使用する欠点は、それらが電極の反射率を低下させ、取出し効率を悪化させることにある。また、これらデバイスは、３５０×３５０μｍ2のデバイスにおいて、２０ｍＡで４．９から５．１Ｖの高い順方向電圧を示す。これは、良好なオーミック電極を有するデバイスの３倍を越える〜１００Ωの直列抵抗を引き起こす。直列抵抗が高いと、電力変換効率が著しく制限される。これらデバイスは、小さく（＜４００×４００μｍ2）、更に、低い熱抵抗で取り付けられないので、発光能力は制限される。結果的に、このデバイスは、低屈折率サファイア製スーパーストレートに起因して、誘導光が、ＩＩＩ−窒化物エピタキシ内で捕捉されるため効率面での課題がある。
【００１１】
国際特許Ｗ０９６／０９６５３において、Ｅｄｍｏｎｄらは、導電ＳｉＣ基板上の垂直方向注入ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤ（即ち、２つのオーミックコンタクト間に挟まれたＬＥＤ）を開示しており、このＬＥＤは、図２に示すように、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、又は、Ｎｉで形成されたオーミックコンタクトを有する。サファイアは導電性でないため、垂直方向ＬＥＤにサファイア製基板を使用することはできない。ＩＩＩ−窒化物層からＳｉＣ基板までのオーミック伝導のために、導電バッファ層が必要とされる。導電バッファ層に必要な成長条件によってそれ以降の層に適用できる成長条件が制限されるため、ＩＩＩ−窒化物活性領域層の品質の妨げになる。また、導電バッファ層は、光取出し効率を制限する光損失要因となる。更に、電気伝導率を高く（ρ＜０．２Ω−ｃｍ）して直列抵抗を低くするために、ＳｉＣ基板をドープしなければならない。ＳｉＣ基板ドーパントによる光吸収は、デバイスの光取出し効率を制限する。これらの条件のために、直列抵抗と光取出し効率との間にトレードオフの関係が生じ、図２のＬＥＤの電力−光出力変換効率を制限する結果となる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高反射率オーミックコンタクトを有する反転型ＩＩＩ−窒化物発光デバイス（ＬＥＤ）である。大面積ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤは、発光の面積密度を高め、高出力作動を可能にする。反転構造、即ちフリップ・チップＩＩＩ−窒化物ＬＥＤは、取出し効率を向上させることが実証された。フリップ・チップＬＥＤにおけるｐ−型電極によって覆われる表面積が増加すると、ｐ型及びｎ型電極の反射率は重要となる。大面積（＞４００×４００μｍ2）のデバイスは、直列抵抗を低減するために、ｐ型電極金属被覆に介在させた少なくとも１つのｎ型電極を有する。ｎ型及びｐ型電極金属被覆は、いずれも不透明の高反射率で、オーミック（１０−２Ωｃｍ2未満のコンタクト抵抗率）であり、良好な電流拡散を提供する。高反射率オーミックコンタクトは、特に、大面積のフリップ・チップデバイスの光取出し効率を高めることができる。選択する材料は、銀（Ａｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）であり、これらのｎ型ＧａＮに対する等方性の反射率は、各々、９７％及び８７％に達する。ＬＥＤ活性領域のピーク発光波長でのｎ型及びｐ型電極の光吸収率は、各電極において、通過当り２５％未満である。
本発明は添付図面と共に以下の詳細説明を考慮することにより更に完全に理解できると考える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ＬＥＤ動作の１つの基本的な制約条件は最大接合温度である。最大接合温度、Ｔjmaxとは、ＬＥＤ又はそのハウジングの一部に損傷又は故障が生じるｐ−ｎ接合領域の温度である。この損傷は、封入されたエポキシ又はレンズのガラス遷移温度に近づくことにより、これら材料の透明度が失われたり最終的に溶解したりして発生する場合が多い。そのような判明している制約として、周囲温度からＴjmaxまでの温度上昇ΔＴjは、（式１）で表すことができる（電力変換効率＜＜１００％と仮定するが、これは、今日のＩＩＩ−窒化物デバイスにあてはまる）。
ΔＴj＝ｔｏＴjmax−Ｔa＝ＩmaxＶfΘj-a            （式１）
ここで、Ｔaは周囲温度、Ｉmaxは最大動作電流、Ｖfはその電流値での順方向電圧、及び、Θj-aはｐ−ｎ接合部から外気への熱抵抗である。Ｖfに簡略化した式を代入して書き直すと（式２）となる。
Ｉmax＝ΔＴj／［Θj-a（Ｖ0＋ＩmaxＲs）］          （式２）
ここで、Ｖ0はターンオン電圧（ほぼＩＩＩ−窒化物基板バンドギャップ電圧）、及び、Ｒsはデバイスの電気直列抵抗である。Ｉmaxで解くと（式３）となる。
0004617051.tif 000002
Ｖ0＝２．５Ｖ（波長のエネルギー・バンドギャップに相当し、λ〜５００ｎｍ）、Ｔjmax＝１３０℃で、Ｒs及びΘj-aの値を変化させた場合の式３の値を図示したのが図３である。これらパラメータ値の範囲は、〜１ｍｍ2のダイ寸法、及び、熱の除去が良好に設計されたシステムと整合している。ＲsとΘj-aと間の重要度ランクは、図３のグラフのどの部分が応用例を支配しているかによって決定される。しかし、多くの場合、図３において、熱抵抗を−５℃／Ｗ低減すると、直列抵抗を〜０．５Ω低下させるよりも、Ｉmax（及び、その結果としての光出力）はより効果的に増加する。直列抵抗は、限定されたコンタクト抵抗及び現実的なドープレベルに基づくものであるため、それを低レベルまで自由に減少させるのは難しい。従って、熱抵抗は、Ｉmaxを増加させる有意なレバーアームとなるものであり、それを最小化して発光能力を最大化する必要があるのは明白である。
【００１４】
接合温度の制約によりＩmaxが固定されるため、最大発光能力は式４で表される。
Ｌmax＝ηＩmax                            （式４）
ここで、Ｌmaxはワット単位の最大光出力、ηはＷ／Ａ単位のＬＥＤのスロープ効率である。スロープ効率は、式５に示すように外部量子効率に比例する。
η〜ηext＝ηintＣext                      （式５）
ここで、ηintは内部量子効率、ＣextはＬＥＤの光取出し効率である。従って、活性領域効率（ηint）を固定すると、最大発光能力は、取出し効率を最大化することによってが得られる。
【００１５】
ＬＥＤの直列抵抗及び熱抵抗は、接合面積に逆比例するため、ダイ寸法を大きくして、Ｉmaxを増加するのが望ましい。ダイ寸法を拡大すると、一次及び二次光学機器サイズと発光システム内のＬＥＤパッケージの電力放散性能との現実的な制約に自動的にぶつかる。そうならないように、ダイ寸法は、ＬＥＤパッケージによってもたらされる許容電力放散を有効利用するように選定されるべきである。典型的なシステムでは、接合部から外気までの熱抵抗は、ＨｏｆｌｅｒらのＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３４，１  （１９９８）に記載されたように、ほぼ〜６０℃／Ｗである。速算では、ＬＥＤパッケージの電力放散に上限を置く。周囲温度が４０℃、Ｔjmaxが１３０℃と仮定すると、最大入力電力は（１３０−４０）／６０＝１．５Ｗである。最大入力電力は、式６で示される。
0004617051.tif 000003
ここで、ＪmaxはＡ／ｃｍ2単位の最大順方向電流、ρSはΩ−ｃｍ2単位のダイの直列抵抗、Ａdieはダイ面積（ｃｍ2）である。高効率で良好なコストパーフォーマンスを持って動作させるためには、適度に高い順方向電流密度が必要とされる。好適な順方向電流密度は、５０Ａ／ｃｍ2である。３５０×３５０μｍ2のデバイスでは、典型的な直列抵抗は〜３０Ωであり、これは、ρs〜４×１０-2Ωｃｍ2程度のデバイス抵抗率に相当する。この同じ抵抗率を式６にあてはめると、Ｊmax＝５０Ａ／ｃｍ2、Ｖ0＝２．５Ｖ（これは、波長のエネルギー・バンドギャップλ〜５００ｎｍに対応）、パッケージに許容される最大入力電力を達成するために必要なダイ面積は、６．７×１０-3ｃｍ2又は８００×８００μｍ2である。同じ電力レベルでデバイスがより小さくなると、順方向電圧が増加するので、同一電流での効率は低下する。同様に、デバイスが小さくなるとダイの熱抵抗が増加するので、より高い温度で動作することになる。
【００１６】
ｐ型ＩＩＩ−窒化物層の抵抗率が高いため、ＬＥＤ設計では、ｐ型層に沿って金属被覆してｐ側の電流拡散を行なう。従って、絶縁基板であるため、ｎ側の電流拡散は、ｎ型ＩＩＩ−窒化物層によって発生させる必要がある。通常、これらの層は、抵抗率が〜１０-3Ω−ｃｍで、厚みが〜２μｍである。典型的なデバイスの抵抗率の無視できる部分を明らかにするために、ｎ型層による拡散電流に要求される距離は、〜２００μｍ未満に保たれるべきである。従って、４００×４００μｍ2を超えるデバイスでは、デバイスの直列抵抗を低く保つために、ｐ型電極を挿入した多層ｎ型電極フィンガーを必要とする。上述したように、高発光能力のデバイスは大きく（例えば、＞４００×４００μｍ2）する必要がある。従って、これらデバイスは、挿入ｎ型電極設計を用いるべきである。ｎ型及びｐ型電極は、電気的に絶縁された状態でサブマウントに接続する必要があるので、この設計は、反転構造と重要な関係を持つ。
【００１７】
反転型設計に関し、高反射率の電極金属被覆を使用することは、取出し効率を改善する上で重要である。図４Ａは、反転型ダイ設計におけるＬＥＤの取出し効率とｐ型電極吸収率との関係を、従来の（エピタキシ−サイドアップ型）デバイスと比較して示す。ここでは、タングステン製のｎ型電極を使用した。図４Ａに図示された取出し効率は、ＬＥＤダイ構造（１×１ｍｍ2）の光線トレースモデリングによって測定され、全てのＬＥＤ材料の光特性測定値を含む。モデリングされた全ての反転型デバイスにはサファイア製基板が使用され、一方、従来の（反転型でない）デバイスにもサファイア製基板が使用された。ｐ−型電極吸収率（ｘ軸）は、関心のある波長において、ｐ型電極に隣接するＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層内の等方性の点光源からの光を想定して、通過当りで吸収された光のパーセントとして定義される。ｐ型電極は、活性領域をほぼ完全に横切って延びて、ｐ−ｎ接合に均一な電流注入を行なうものであるため、光取出しの重要な要素となる。更に、サファイア（ｎ〜１．８）とＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層（ｎ〜２．４）と間の屈折率の差により、活性領域で生じた光の大部分がサファイア／ＩＩＩ−窒化物の境界面で完全に内部に反射されることになる。この導波路に捕捉される光量は、活性領域からの等方性発光に関して、総発光の〜ｃｏｓ（（１．８／２．４）-1）＝６６％である。図５に示すように、この光は捕捉され、デバイスに沿ってダイの両側に向けて横方向に誘導される。図５は、従来の（エピタキシ-上方型）構造を示すが、波導効果は、ダイがエピタキシ−上方型であろうと反転型であろうと存在する。しかし、ｐ−型電極による吸収のため、大部分の誘導光はデバイスから逃れる前に消失する。このため、図４Ａに図示したデータに示すように、取出し効率は、ｐ−型電極吸収率に対して非常に敏感である。この現象は、逃れる前のｐ−型電極での通過数が非常に多いので、例えば、＞４００×４００μｍ2の大面積のダイにおいて特に顕著である。また、ｎ型電極も光損失要因であるが、より小さなデバイス面積を覆うものであるため、これまでは、余り重要でないと考えられていた。しかし、フリップ・チップＬＥＤにおけるｐ−型電極の反射率が高くなるに伴い、ｎ型電極の反射率も重要となる。特に、大面積フリップ・チップデバイスに関しては、高反射率オーミックコンタクトによって光取出し効率を高めることができる。ｐ型及びｎ型電極用に選択された材料は、発光層の発する光に関しては、電極の垂直入射反射率が７５％を超える、好ましくは８０％を超えるようなものとし、このような材料を、ＧａＮへの等方性反射率の値がそれぞれ９７％及び８７％に達する銀（Ａｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）とするのが好ましい。ＬＥＤ活性領域のピーク発光波長でのｎ型及びｐ型電極の光吸収率は、各電極での通過当り２５％未満で、好ましくは各電極での通過当り２０％未満である。フリップ・チップＡｌＧａＩｎＮ−ＬＥＤでは、金属コンタクトでの発光の吸収を低減することによって光取出し効率を高めることができる。ｐ型コンタクトがＬＥＤ表面の大きな割合を覆うため、高反射率ｐ型コンタクトで製造されるフリップ・チップＡｌＧａＩｎＮ−ＬＥＤは、���に興味深い。小面積接合（〜０．１２ｍｍ2）においては、ｐ型金属被覆が全表面積の〜５０％を覆うのに対して、大面積（〜１ｍｍ2）フリップ・チップＡｌＧａＩｎＮ−ＬＥＤにおいて、ｐ型コンタクトは、通常、総表面積の〜７５％を覆う。高反射率のｐ型コンタクトを使用すれば、通過当りの吸収率は、Ａｇコンタクトで通過当り３％程度に低くできるが、総光利得は、光損失に対し、取得通過当り〜３０％程度得ることができる。ｐ型コンタクトでの光損失が減少すると、ｎ型コンタクトは更に重要となる。有用な測定規準は、通過当り損失と部分面積との積である。この積は、良好な取出し効率を維持した状態で、ｐ型金属被覆に関して〜３−２５％の範囲である。ｎ型コンタクトの面積は、通常、表面積の１０−１５％である。従来の通過当り〜５０％損失を有するＴｉＡｌ製のｎ型コンタクトでは、上記測定規準値は、５−８％程度である。Ａｇ及びＡｌに対するコンタクトを変えることにより、光損失測定規準値は、０．３−２％の範囲に減少し、通過当り光損失は大幅に減少する。例えば、ｐ型電極が、３％の損失で面積の７５％を覆う場合、総損失は〜２％である。ｎ型電極が、１２％面積で損失が５０％の場合、総損失は６％となり、これは、ｐ型電極よりはるかに高い。
【００１８】
図４Ａに示す光線トレースモデリングの結果は、Ｎｉ及び／又はＡｕ電極を有するダイ設計により、取出し効率（λ＝５０５ｎｍ）が３８から４７％の範囲となることを示す。半透明ＮｉＡｕ電極を有する従来のエピタキシ−サイドアップ型デバイスの取出し効率は４３％である。従って、反転型デバイスのＮｉ及び／又はＡｕのｐ型電極の取出し効率は、従来の設計と比較してそれほど改善されない。
【００１９】
しかし、Ａｇ製のｐ型電極に関して、反転型ダイは、取出し効率において従来のデバイスを超える〜１．７ｘの利得を示す。図４Ａに明確に示すように、光取出しを従来デバイスを超えるものとするためには、反転型デバイスのｐ型電極吸収率を３５％未満にする必要がある。好ましくは、ｐ型電極吸収率は、２５％未満とする。図４Ａでは５０５ｎｍの場合が図示されているが、取出し効率とｐ型電極吸収率との関係の傾向は、波長に関係なく有効である。また、反射率は重要視すべき事項でありコンタクト抵抗も同様であるのを指摘することも重要である。ｐ型電極における劣悪なコンタクト抵抗は、式３で説明したように、デバイスの直列抵抗が過度に高くなるために発光性能が低下する要因となる。３５０×３５０μｍ2のデバイスに関しては、通常の直列抵抗は〜３０Ωであり、これは、４×１０-2Ωｃｍ2程度のデバイス抵抗率に相当する。ｐ型コンタクトの抵抗率は、この値よりかなり小さくして、その直列抵抗に対する影響を最小限にする必要がある。本発明においては、ｐ型コンタクト抵抗率は、４×１０-2Ωｃｍ2未満とするのが好ましい。
【００２０】
図４Ｂは、ｐ型電極の銀金属被覆を有する反転型ダイ設計に関する、ＬＥＤの取出し効率とｎ型電極吸収率との関係を示す。図４Ｂに図示された取出し効率は、ＬＥＤダイ構造（１×１ｍｍ2）の光線トレースモデリングによって測定され、全てのＬＥＤ材料の光特性測定値を含む。計算は図４Ａの計算と同じ方法で行われた。図４Ｂは、チタンの１００オングストローム層と〜３ミクロンの厚いアルミニウム層とを有するＴｉ／Ａｌ層で構成され、従来と同様の２層コンタクトのために計算された値に正規化された相対取出し効率を図示したものである。図４Ｂは、アルミニウム又は銀のような高反射率ｎ型電極を使用するプラス効果を明示している。モデリングされた全ての反転型デバイスには、サファイア製基板を使用した。ｎ型電極の吸収率（ｘ軸）は、関心のある波長において、ｎ型電極に隣接するＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層内の等方性点光源からの発光を想定して、通過当りの光吸収のパーセントで定義される。前述したように、ｐ型電極は、光取出しにとっては重要な要素であるが、ｐ型電極によって覆われる面積の増加に伴い、ｎ型電極の反射率の重要性も増す。このため、図４Ｂに示すように、取出し効率は、ｎ型電極に対して非常に敏感である。これは、ｐ型電極での通過数が増えるとｎ型電極での通過数も増加するため、特に、例えば、＞４００×４００μｍ2のような大面積のダイにおいて顕著である。
【００２１】
光線トレースモデリングの結果は、相対取出し効率として図４Ｂに示され、この結果は、値を１として図示されたＴｉ／Ａｌの従来のｎ型ＧａＮ電極に対して正規化されている。チタン（Ｔｉ）又はタングステン（Ｗ）製のｎ型電極の取出し効率は、ＴｉＡｌの取出し効率よりも低い値を示し、アルミニウム又は銀製の電極における取出し効率の増加が示される。図４Ｂに明確に示すように、光取出しを従来デバイスを超えるものにするためには、反転型デバイスのｎ型電極吸収率を２５％未満にする必要がある。好ましくは、ｎ型電極吸収率を２０％未満とする。図４Ｂは、発光波長（λ）が５０５ｎｍの場合を図示しているが、取出し効率とｎ型電極吸収率との関係の傾向は、他の波長に関しても同様である。
【００２２】
代替実施形態において、ｎ型電極をアルミニウム電極と組み合わせて使用する場合の、ｎ型電極吸収率を関数とした相対取出し効率の曲線の傾向は、アルミニウム製ｐ型電極の通過当り損失が高いために、傾きが比較的小さくなる点を除けば、図４Ｂの傾向と同様である。
【００２３】
製造可能なプロセスにおいて低光吸収率と低コンタクト抵抗率とを組み合わせて、ＩＩＩ−窒化物デバイスを実現するのは困難である。ｎ型ＡｌＧａＩｎＮに対する高反射率オーミックコンタクトは、特に、大面積のフリップ・チップデバイスにおいて光取出し効率を高めることを可能とする。好適な材料は、ｎ型ＧａＮに対する等方性反射率の値がそれぞれ９７％及び８７％に達するような、純銀と純アルミニウムである。例えば、純銀は、良好なｐ−型オーミックコンタクトを作り出しその高い反射率を持つが、ＩＩＩ−窒化物材料に対する付着性が低く且つ多湿環境下での電子移動の影響を受けやすい課題があり、これにより、致命的なデバイスの故障につながる可能性がある。この付着性は、適切な表面清掃と熱的な焼きなましによって改善できる。純アルミニウムは、適度な反射率を持つが、ｐ型ＩＩＩ−窒化物材料に対して良好なオーミックコンタクトを形成せず、一方、他の金属元素は、相当な吸収性を持つ（可視波長の範囲において、通過当り＞２５％の吸収率）。可能な解決策として、電流拡散層として機能する厚い反射層と接合した非常に薄い半透明のオーミックコンタクトを含む多層コンタクトを使用する方法がある。バリア層が、選択的に、オーミック層と反射層との間に組み込まれる。ｐ−型多層コンタクトの１つの例として、Ａｕ／ＮｉＯｘ／Ａｌがある。この金属被膜構成の典型的な厚みは、各々、３０／１００／１５００Ａである。同様に、適切なｎ型ＧａＮの多層コンタクトは、Ｔｉ／Ａｌであり、これらの典型的な厚みは、各々、３０／１５００Ａである。しかし、１０００オングストローム（１０ミクロン）又はそれ以上の厚みの銀系ｐ型電極を使用するのが好ましい。Ｎｉ製の薄い層（〜７オングストローム）は、付着性の確保及びその他の目的のために使用されるが、銀系ｐ型電極は、付着層を必要としない。いずれの方法も、コンタクト８０％を超える反射率を有する。Ａｇコンタクトは、優れたオーミックコンタクト特性を有する。具体的には、薄いＡｇフィルムは、５−６０ナノメートルの範囲の厚みで４０−９７％の反射率を有し、層が厚いと反射率がより高くなるとともに層が薄くなると反射率はより低くなる。アルミニウム製のｎ型電極（〜５００オングストロームから３ミクロンの厚み）は付着層を必要としないが、銀製のｎ型コンタクトは、付着性の確保とコンタクト抵抗の低減のために、Ｎｉ又はＴｉ層をできるだけ薄くする必要がする。
【００２４】
ｐ型電極反射率は、取出し効率の重要な要素であるため、取出し効率が製造設計において悪影響を受けることがあってはならない。不透明シートの金属被覆によって、反転型ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤのオンウェーハ試験が困難になったとしても、そのような試験方法が、ｐ型電極の反射特性を低下させる要因となるようなことがあってはならない。例えば、オンウェーハ試験時に光を上方に逃がすためにｐ型電極に挿入される開口、即ち半透明領域は、ｐ型電極の反射率を事実上低下させ、完成品デバイスの効率を低下させるだけである。ｐ型コンタクトの反射率に悪影響を与えない別の方法を使用すべきである。
【００２５】
本発明は、高反射率オーミックコンタクトを使用して光取出しを高めながら、ｐ−ｎ接合部からランプパッケージまでの熱抵抗を減少させることによる最大発光能力を有する、例えば、＞４００×４００μｍ2の大面積で、高出力のＬＥＤを提供する。これを実現するために、本発明では、低抵抗で、半透明で、高反射率のｐ型及びｎ型電極を用いた反転構造を使用する。図６ａ及び図６ｂは、第１実施形態を示す。
【００２６】
図６ｂに示す断面図において、本デバイスは、ＩＩＩ−窒化物エピタキシャルヘテロ構造ｎ型非ドープ層１１、及び、ｐ−型層１２を有し、それぞれが活性領域１３と接触している。ＩＩＩ−窒化物層１１は、選択的に、透明なスーパーストレート１０に取り付けられる。このスーパーストレート１０は、ＩＩＩ−窒化物層を堆積するための成長基板とすることができる。この基板は、サファイア、低吸収性シリコン炭化物、及び、非ドープＧａＮ等のいくつかの材料で作ることができるが、これらに限定されることはない。図６ａに示すＬＥＤダイの底面の平面図において、大面積（＞４００×４００μｍ2）のデバイスでは、デバイス全体に電流を均一に拡散させるために、ｐ型電極金属被覆２０に介在させたｎ型電極２２の「フィンガー」を必要とする。このような電極構成は、大面積デバイスにおいて、（ＩＩＩ−窒化物層の低伝導性を克服するように）直列抵抗を低減することにより、最大駆動電流を式３に示すように高めるために必要とされる。従って、介在式ｎ型電極構成は、大面積デバイスがその総発光性能を最大化するために必要となる。本デバイスにおいては、高反射率の厚いｐ型電極金属被覆２０及びｎ型電極金属被覆２２を使用することによって、光が透明スーパーストレート及び側壁を介して取り出されるように反転されるので、良好な取出し効率とすることができる。このｐ型及びｎ型電極の反射率は、前述したようにそれらのＬＥＤ発光波長での通過当りの吸収率が２５％未満であることに対応する。電極金属被覆２０、２２は、相互接続部６０を介してサブマウント５０上のサブマウント電極５２に接続する。この相互接続部は、ＬＥＤとサブマウントとの間を電気接続し、同時に、動作時にＬＥＤから熱を除去する熱経路となる。図示された実施形態では、はんだ付けに言及しているが、相互接続部は、元素金属、金属合金、半導体金属合金、はんだ、熱的電気的導電性のペースト又は化合物（例えば、エポキシ）、ＬＥＤダイとサブマウントと間の各異種金属の共晶接合（例えば、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄ）、Ａｕスタッドバンプ、又は、はんだバンプで作ることができる。
【００２７】
相互接続部は、導電境界部４１、５４を介してＬＥＤ及びサブマウントに取り付けられる。はんだを相互接続部として使用する場合、導電境界部は、濡れ性のある金属とする。適用プロセスにおいては、最初に、相互接続部の厚み及び面積が決定される。１つの適用可能な手法は、サブマウントウェーハ又はＬＥＤ上の設定区域にペーストを塗布するスクリーン印刷法である。その他の手法としては、電気メッキ法、リフトオフ法、リフロー法等が挙げられる。はんだを相互接続部として使用する実施形態では、最終的な相互接続部の厚み及び面積は、はんだの量及びＬＥＤダイ上の濡れ性を持つ金属４１及びサブマウント上の濡れ性を持つ金属５４によって決定される。ＬＥＤ上のはんだ付け可能な区域は、濡れ性を持つ金属のパターン形成、又はＬＥＤダイ上に形成されるパターン状の誘電性不活性化層４２のバイアスによって規定される。誘電性不活性化層４２は、ｐ型及びｎ型電極間の電気絶縁層として機能し、これが必要とされるのは、はんだ層４１がｐ型電極及びｎ型電極の双方にわたって延びているためである。同様に、サブマウント上のはんだ付け可能な区域も、はんだ付け可能な金属５４のパターン化によって規定される。代替的実施形態において、金属被覆５４の濡れ区域は、パターン化された誘電層によって規定される。第２のはんだ付け可能な金属層５５のセットが、パッケージに取り付けるサブマウントの背面に溶着される。選択的に、適切なはんだを、サブマウントの背面に直接溶着される。ＬＥＤとサブマウントと間の任意の余盛(underfill)材料の熱伝導率は、例えば、＜２．０Ｗ／ｍＫと非常に低いため、接合部からパッケージまでの熱抵抗は、ダイ／サブマウントはんだ結合部とサブマウントの材料及び寸法とに大きく左右される。ｐ型電極金属被覆及び平面流動における発熱を想定するとともに薄い層及びサブマウントとパッケージ間のはんだ結合部の熱抵抗を無視すると、接合部からパッケージまでの熱抵抗は式７で表される。
Θj-p＝（ｔs／Ｐs＋ｔsm／Ｐsm）／Ａs（誘電体は無視）    （式７）
ここで、ｔs及びｔsmは、厚み、ｐs及びＰsmは、各々はんだ及びサブマウントの熱伝導率、及び、Ａsは、はんだの総断面積である。式７に示されるように、はんだ面積Ａsは、熱抵抗を支配する。従って、はんだを使用してＬＥＤダイの全面積を覆うのが望ましい。しかし、これは、電気絶縁がＬＥＤのｐ型電極領域とｎ型電極領域との間に必要なため不可能である。また、ｎ型及びｐ型のはんだ付け可能な金属間のこのギャップ幅は、ダイをサブマウントに取り付ける際の誤差の原因となる。そうであっても、図６ａの実施形態は、（ｐ型電極区域２０に対するはんだ付け可能な金属の区域４１の面積比で定義した）はんだ付け被度は、〜８５％とされる。
【００２８】
図６ａ及び図６ｂに示すものの代替実施形態では、ｐ型電極２０の一部を構成し且つｎ型電極２２の各部の真下に延びるシート状反射体が設けられる。金属間(intermetal)誘電体が、ｎ型電極領域とシート状反射体領域との間に形成される。金属間誘電体は、これら領域のｎ型電極とｐ型電極との間を電気絶縁する。ｎ型電極の他の部分は、誘電体に覆われず、サブマウントに電気接続する。この実施形態は、ＬＥＤ金属被覆のギャップを介した光を上方に反射することによって、図６ａ及び図６ｂに示される実施形態と比較して、この光が下方に漏れるのを低減する。
【００２９】
ＬＥＤとサブマウントとの間の相互接続部は、はんだ合金の固体温度を超える温度でリフロー炉にはんだを入れる時に形成される。リフローの間、毛管力及び表面張力が、はんだ付け可能な金属領域をはんだシートに揃えるように作用する。これによって、サブマウントウェーハに対するＬＥＤダイのほぼ自動的な再調整が可能となる。この自動再調整は、高速ダイ取り付機を使用することにより得ることができ、初期のダイ取り付精度よりも速度を優先することが可能となる。更に、ｐ型及びｎ型はんだシートの各々を複数のシートに分割することにより、自動再調整効果を改善できる。図７は、ｐ型及びｎ型はんだパッド４１が複数対とされた実施形態を示す。各はんだシート間のギャップは、ダイ取り付機の精度によって決まる。図６ａの実施形態はｙ軸方向に顕著な自動再調整特性を有するのに対し、図７の実施形態は、ｘ軸及びｙ軸方向に優れた自動再調整特性を有する。
【００３０】
図８は、はんだ金属４１を、各々が等しい面積を有する複数のはんだ「バー」とした代替実施形態を示す。この設計には、リフロー時に、はんだ金属の均一な濡れに伴い良好な自動再調整が得られる利点がある。ダイとサブマウントとの間に加わる力は、はんだの濡れ面積に比例しているので、均一な濡れが生じる。各々等しい面積を有する領域で構成された濡れ性のある金属パターンを使用することによって、均一な濡れが実現される。均一な濡れによって、ＬＥＤダイが、リフロー時及び後続の冷却時に傾くのが防止される。平面ＬＥＤ取り付けプロセス手段を維持することにより、ＬＥＤダイは、例えば、ＬＥＤダイの各部がサブマウント上の金属被覆領域に近接している場合に生じる可能性があるｐ−ｎ接合の短絡等の故障要因の悪影響を受けにくくなる。また、非傾斜ＬＥＤダイの配向により、ＬＥＤランプ又はシステム内の他の光学部品に対する光連結が改善される。
【００３１】
図９は、ｎ型領域のはんだ金属を、はんだ「バンプ」用のパッドに置き換えた他の実施形態を示す。ｎ型はんだパッドの周辺ではｎ型電極とｐ型電極との間の絶縁が不要となるので、誘電性不活性化層も不要となるため、ウェーハ製造プロセスが簡略化される。はんだバンプ製造は、業界標準のやり方であるので、ｎ型電極でのはんだ接続は、十分確立された製造手法で実現できる。
【００３２】
代替実施形態は、その平面及び断面図が各々図１０ａ及び１０ｂに示され、はんだ取り付け境界部の全体が、バンプ用のはんだパッドによって提供される。熱抵抗を最小化するために、最終はんだ厚みを最小化しつつ最終断面のはんだ結合面積を増加するように、バンプの数が最大化される。バンプ数は、所定のバンプ径に対するはんだバンプピッチに制約を加えるはんだバンプ形成の最先端技術によって方向付けられる。１００μｍ径のバンプの典型的ピッチは２００μｍである。１ｍｍ2のダイに対しては５列の１００μｍ径のバンプが適している。図１０ａでは、１列は、ｎパッドに対して２バンプである。ｎ型電極フィンガーは、ｐ型電極金属被覆に沿うバンプ列数を、４列に制限する。この設計では、はんだ領域の断面は、ｐ型電極面積の少なくとも１５％に維持される。はんだ領域の被度は、個々のバンプに必要な小バイアスを超える濡れ性のある金属表面を拡大することによって増加できる。例えば、ＬＥＤダイ上の濡れ性のある金属パターンを図８に示すようにバーで構成する一方、サブマウント上のはんだバンプをｐ−型電極用の４×４のアレーとｎ型電極用の２個とすることができる。図１１ａ及び図１１ｂは、この実施形態の断面を示す。図１１ａは、パターン誘電体４２に、ＬＥＤダイ上の各はんだパッド４１用のバイアスを設けた実施形態を示す。同様に、パターン誘電体５３は、サブマウント上の各はんだパッド５４用のバイアスを備える。図１１ｂに示す実施形態では、はんだが広がってそれらの個々の径による濡れ面積よりも大幅に広い面積を濡らすことができるように、ＬＥＤダイ上のはんだ金属４１は、はんだバンプより大きくされる。これにより、はんだ領域の被度は、図１１ａにおける個々のバンプの合計被度よりも大きくなる。また、はんだ厚みも効果的に薄くなる。これら両効果により、はんだ結合部の熱抵抗が減少するので、ＬＥＤダイを、光出力を高めるためにより高い電流密度で動作することが可能となる。
【００３３】
更に、図１２ａ及び図１２ｂに示すように、ＬＥＤ上の濡れ性のある金属パターンに一致するように、はんだをバンプ以外の任意の形に形成して、サブマウントに対する優れた熱コンタクトを有するデバイスを提供することができる。図１２ａは、ＬＥＤ底面の平面図を示す。はんだ金属４１は、ｐ型電極２０及びｎ型電極２２の金属被覆上にパターン化され、リフロー時に、はんだの濡れ区域を規定する。その代わりに、図６乃至図８に示すように、濡れ区域を誘電不活性化層４２によって規定することができる。図１２ｂは、サブマウントの平面図を示す。横方向のサブマウント外形は任意であるが、ここでは六角形の設計が示される。サブマウントは、例えばＳｉの基板５０を有する。ＬＥＤダイとサブマウント基板との間の電気絶縁のために、選択的に、例えば、ＳｉＯ2の誘電層５１を設けることができる。その代りに、サブマウント基板をＬＥＤダイに電気的に接続し、サブマウント基板に作製された電子回路と一体化することも可能である。ＬＥＤダイからの光を下方に放射する反射体として更に、ワイヤーボンドのために、Ａｇ又はＡｌ等の金属被覆５２が設けられる。また、金属被覆５２に割れ目を設け、取り付け後にＬＥＤダイのｐ型領域とｎ型領域とを電気絶縁する。ワイヤーボンド金属被覆５２の上面にはんだ金属５４をパターン形成し、リフロー時のはんだの濡れ区域を規定する。これらのパターンは、ＬＥＤダイ上のはんだ金属被覆４１のパターンと一致する。図１０ｂに示すように、ＬＥＤダイに関しては、サブマウント上の濡れ区域は誘電性不活性化層５３によって規定される。はんだ材料６０は、サブマウントはんだ金属被覆５４上に堆積される。その代わりに、はんだ材料６０をＬＥＤダイ上に堆積することもできる。はんだの端部は、はんだ金属パターン５４の端部からわずかに引っ込めることができる。濡れ区域４１及び５４とはんだパターン６０とによって規定されるはんだレイアウトの制御は、はんだの適用プロセスに左右される。できるだけ広い範囲のｐ型電極２０が、リフロー後に、はんだで覆われるのが好ましい。図１２ａ及び図１２ｂの濡れ区域におけるはんだによるｐ型電極２０の被度は〜６６％となる。図１２ａ及び図１２ｂのはんだレイアウトは、バーで構成されているが、任意のパターンをすることができるのは明らかであり、ｐ型電極はんだ区域の被度を更に増加させることも可能である。
【００３４】
ＬＥＤとサブマウントとの間の適切な相互接続部は、ＬＥＤの最大動作温度を、典型的な最大定格動作温度である１３０℃を超えて増加することを可能とする。従って、はんだの場合、この相互接続部に、例えば、９５／５Ｐｂ／Ｓｎ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、及び、ＡｌＳｉ等の高温はんだを使用するのが望ましい。高温相互接続部により、ＬＥＤの最大接合温度が高められるので、最大駆動電流及びその結果としての発光性能は大幅に増加する。
【００３５】
はんだのリフロー時、ｐ型電極の完全性を維持することは重要である。即ち、この層の反射率及び接触抵抗は、はんだ金属層又ははんだ自体の存在によって低下することがあってはならない。そのような低下の原因は、ｐ型電極とはんだ金属層との金属混合、又は、層間剥離等の歪みの影響である。このため、ｐ型電極とはんだ金属層との間にバリア層を設ける必要がある。適切なバリア層としては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、及び、Ｔｉが挙げられるが、これらに限定されるものではない。同様に、上記したものは、ｎ型電極にも適用できる。
【００３６】
大きなＬＥＤダイ寸法では、ＬＥＤダイとサブマウントとケーシングとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差により、熱サイクル応力条件下で疲労が生じ、最終的には、ＬＥＤ／サブマウント取り付け境界部に故障が発生する可能性がある。ＣＴＥの問題は、小さなシート（又は、バー、又はバンプ）状はんだ取り付け設計の場合よりも大きいシート状はんだ取り付け設計の場合に起き易い。従って、より小さなはんだ形状とすることが、大きなＬＥＤダイを取り付ける方法として好ましいと言える。また、はんだシートを厚くする又はバンプを高くすると、ＬＥＤとサブマウントとの間の整合が取り易くなり、故障のリスクが軽減される。ここでは、熱抵抗の最小化とＣＴＥ問題発生とのトレードオフにより、はんだ取り付け設計が、所定ＬＥＤダイ寸法に対して最適化される。１ｍｍ2のダイ及び１５％のはんだ区域の被度において、はんだ厚みが２０μｍ程度であれば、温度サイクル応力条件下で故障の原因にならない。
【００３７】
ＬＥＤの光取出しは、ＩＩＩ−窒化物ヘテロ構造の境界部の１つに、荒れた表面を設けることによって増やすことができる。この荒れは、無作為でも規則的なものでもよい。これは、図１３ａ乃至図１３ｃに示される。図１３ａは、サファイア製基板を用いた反転型デバイスを示す。サファイア製基板とＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層との間の大きな屈折率の不整合（ｎ〜０．６）により、活性領域から発生した光の大部分が、サファイア／ＩＩＩ−窒化物の境界部において完全に内部方向に反射されることになる。この光は、捕捉されてデバイスに沿ってダイ側面に向かって横方向に誘導される。しかし、ＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層及び各電極に存在する多くの損失要因のために、大部分の誘導光はデバイスから逃がれる前に消失する。図１３ｂにおいて、ＩＩＩ−窒化物ヘテロ構造とサファイア製スーパーストレートとの間の境界部は、光をＩＩＩ−窒化物層の外に拡散させるために表面に荒れが形成されている。これにより、ヘテロ構造内の平均光量子路長を短くして内部吸収効果を減少することにより、光取出しを改善する。ＩＩＩ−窒化物ヘテロ構造の底面に、又は、ヘテロ構造内の境界部の１つに荒れを形成することにより同様の結果が達成できる。複数の境界部の表面に荒れを形成して光取出しを更に高めることができる。
【００３８】
代替実施形態においては、反転型ダイ構造に、サファイア（ｎ〜１．８）よりＩＩＩ−窒化物層（ｎ〜２．４）により近い屈折率整合を有する高屈折率（ＨＲＩ）（ｎ＞１．８）スーパーストレートを設けることによって光取出しを改善する。発光領域を構成するＩＩＩ−窒化物層に近い屈折率整合により、より多くの光を厚い基板に連結するとともに、ＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層内又はその周囲に存在する多くの損失要因の１つで吸収される前にその光を外部に逃がすことが可能となる。図１３ｃは、このような実施形態を示し、ここではＳｉＣスーパーストレートが使用される。ＳｉＣの屈折率は〜２．６で、サファイアより大幅にＧａＮと整合する。従って、全内部反射の可能性は極めて低いので、ＩＩＩ−窒化物層内に導波路は形成されない。事実、活性領域からの全ての発光が、スーパーストレートに連結され、露出された５つのスーパーストレート面の１つから逃がされる可能性が高い。ＨＲＩスーパーストレートでも、ＩＩＩ−窒化物ヘテロ構造の複数の境界部を荒らすことによって、光取出しを更に改善することができる。
【００３９】
ＨＲＩスーパーストレートの利点を全て引き出すためには、スーパーストレートは、吸収性がほとんどない状態で実質的に透明でなければならない。従って、ＳｉＣに関しては、スーパーストレートのドープはわずかか又はゼロにすべきで、成長法によって、比較的不純物のないスーパーストレートとし、超低損失のＬＥＤデバイス用光ウインドウとする必要がある。６ＨＳｉＣに関しては、通常、抵抗率が０．５Ωｃｍを超える場合である。ＳｉＣ内の吸収損失の影響は、図４で定量化され、（サファイア製スーパーストレートを使用するデバイスに対し正規化された）取出し効率は、ＳｉＣスーパーストレート内の分布損失（吸収係数、単位：ｃｍー1）の関数として図示される。これらの結果は、ＬＥＤデバイス構造の光線トレースモデリングによって得られる。３つの異なる厚みのＳｉＣが示されている。〜１００μｍ厚みのＳｉＣスーパーストレートでは、吸収係数を３ｃｍー1未満となる。より厚い基板では、吸収係数はより低くなる。損失のないＳｉＣスーパーストレートでは、取出し効率利得は、本発明の前述の実施形態と比較して１．２倍（１．２ｘ）を超えるものとなる。
【００４０】
ＩＩＩ−窒化物層ＬＥＤの取出し効率を改善するのに適した多くＨＲＩスーパーストレートがある。ＳｉＣに加え、その多くの異なるポリタイプ（２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ、ｃ軸及びａ軸、３Ｃ等）では、ＺｎＳ、又はＺｎＳｅ、ＹＡＧ、ＺｎＯのような別の材料が使用できる。ＨＲＩスーパーストレートは、ＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層の成長基板の役割を果たすことができ、又は、ボンディング段階又は第２成長段階でＩＩＩ−窒化物エピ層に取り付けることができる。
【００４１】
ＨＲＩスーパーストレートの複数の表面、及び、ＩＩＩ−窒化物ヘテロ構造上又はその内部に、光ランダム化表面を設けることによって、取出し効率対して大きな利点が得られる。そのような表面は、例えば、鋸引きによってデバイスの側壁上に必然的に設けられるか、又は、例えば、エッチングなどの他の手段によって実現できる。また、このスーパーストレートは、Ｋｒａｍｅｓらによって、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．７５，２３６５−２３６７ページに示されるように、取出し効率の改善のために成形することができる。その形状の１つは、スーパーストレートの上面の表面積が、その底面の表面積より大きい逆ピラミッド設計である。この実施形態を図１５に示す。
【００４２】
サブマウントは、機能性を提供するとともに性能に影響を及ぼすことができる。それがＬＥＤから熱を除去するための熱経路にあるため、サブマウント材料の熱伝導率は高くなければならない。適切な材料として、Ｓｉ、ＡｌＮ、又は、ＢｅＯがある。サブマウントは、比較的薄くして熱抵抗を減らさなければならない。例えば、Ｓｉサブマウントは、２５０μｍ未満とする必要がある。Ｓｉは、〜１００Ｗ／ｍＫの良好な熱伝導率及び集積電子部品の能力を持つため、サブマウント材料として魅力ある材料である。サブマウントは、ＬＥＤとパッケージとの間を電気絶縁することができる。この場合、パッケージのリード線に対する陽極及び陰極用の２つの接続をサブマウントの上面に設ける必要がある。その代わりに、パッケージの電気絶縁が不要で且つサブマウントが導電性である場合は、１つの電極を、サブマウントを介してパッケージに接触させる。更に、サブマウントの上面から対向するリード線に対して、１つだけの相互接続部が必要となる。下方に向かって進む光を効率よく上方に再び方向付けるために、サブマウントの上面の金属被覆は、ワイヤーボンドが可能で且つ反射性を持つ必要がある。従って、Ａｇ及びＡｌは、サブマウント上面金属被覆として適切な選択である。
【００４３】
サブマウントの形状及びにサブマウント上の反射性金属被覆の鏡面性は、ＬＥＤの見かけの光源サイズを左右するため、ＬＥＤ照明システムの光学部品に影響を与える可能性がある。ダイから主として横方向に放射された光を上方にそして有効な照射パターン内に再び方向付けるために、大部分のＬＥＤには反射カップが必要である。この反射カップが大きくなると、第１レンズ及びどの第２レンズも大きくしなければならない。光学部品のコストは、要求される材料の体積に比例するため、反射カップの半径は、最小化するのが望ましい。サブマウントを含むことにより、ワイヤーボンド接続に必要なスペースが余分に必要になるので、ＬＥＤダイ寸法は事実上大きくなる。通常、信頼性のあるワイヤーボンドのために、〜４００μｍの材料がＬＥＤダイを超えて延びるようにするワイヤーボンドの公差が必要である。また、サブマウントウェーハのダイシングのために、隣接するＬＥＤダイとの間に〜１００μｍの空間が必要となる。これらの公差により、事実上、ＬＥＤダイのサイズは大幅に大きくなる。例えば、１×１ｍｍ2のＬＥＤダイは、サブマウントのために矩形外形で１．８×１．１ｍｍ2の面積が必要となる。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、これは、反射カップの径を下限とする。また、サブマウントが円盤形状の場合、サブマウントの最大範囲は、１．８ｍｍに過ぎない。従って、円盤形状のサブマウントによって、反射カップの直径を大幅に小さくすることができる。円形カットは製造が難しいため、円形ディスクに近似した他の形状とするのが望ましい。例えば、（２通過でなく３通過の）複数通過の鋸引きよって六角形のサブマウントを作製することができるが、正方形又は矩形サブマウントが好ましい。これら案を、図１６に示す。ＬＥＤダイよりも大きなサブマウントの平面内に仮想光源が生じないように、サブマウント上面の反射金属被覆は、できるだけ鏡面にする必要がある。ＬＥＤダイよりも大きな仮想光源寸法は、ＬＥＤダイの放射パターンに対して有害な影響を与え、補正のために大きな光学部品を必要とする。
【００４４】
図６ｂ、図９ｂ、及び、図１２ｂに示すサブマウントは、ＬＥＤ内での電子的機能を可能にする。ＩＩＩ−窒化物デバイスは、静電放電（ＥＳＤ）破壊の影響を受け易いが、Ａｎｔｌｅらの米国特許第５，９４１，５０１号に記載されるような、ＬＥＤに電気的に接続された電力分流器によって保護することができる。本発明では、Ｓｉサブマウントに集積ＥＳＤ保護のための回路を埋め込むことができる。この場合、例えば、ツエナーダイオードの保護回路が、ＬＥＤダイと並列に接続される。その代りに、バック・ツー・バック・ツエナーダイオードを、ＬＥＤダイと並列に作製し、ＬＥＤが交流電源で駆動できるようにすることも可能である。サブマウント内には、他の電子デバイス、例えば、光出力をモニターするための光検出器、又は、電流及び／又は電圧をモニターするための抵抗器等を設けることができる。これらデバイスにより、集積システムが、閉ループ・フィードバック制御を行い、一定の光出力作用を維持することが可能となる。
【００４５】
図１７ａに示されるように、サブマウントは、一体構造の多重直列相互接続の発光ダイオードに基づくＬＥＤを提供する。この装置には、エッチングによってＩＩＩ−窒化物材料を除去し、各々の間にトレンチ８０を形成して電気絶縁された４つの直列接続されたＬＥＤを備える。このエッチングは、少なくとも非ドープＩＩＩ−窒化物層まで行なわれる。サブマウント（図示せず）上にレイアウトされた金属トレース８１によって電気相互接続部が形成される。ダイオードがはんだ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、はんだ金属被覆が設計される。その結果得られるデバイスは、図１７ｂに示される電子回路によって表わすことができる。このように、このデバイスは、従来の同じ活性接合面積のＬＥＤと比較して、４倍（４×）の電圧で、４倍（４×）少ない電流で動作する。例えば、１ｍｍ2の従来のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤは、３．０Ｖ、３５０ｍＡで動作できる。図１７ａに示されるような４つの直列相互接続ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤに分割されたこの同じ活性接合領域は、１２．０Ｖ、８７．５ｍＡで動作するデバイスを提供する。この高電圧低電流動作は、ＬＥＤ用の電子駆動回路に要求するものがほとんどない。実際、電子駆動回路は、高電圧で高効率に動作でき、ＬＥＤ照明システムの総合的な効率を改善する。この実施形態、一体構造デバイスは個々のＬＥＤダイを直列に取り付ける従来の手法よりも好ましい。従来の手法では、ダイ取り付け機に必要とされる公差のために、ＬＥＤの占める総面積は増加した。これは、ＬＥＤダイの光学部品寸法が大きくなる問題があり、ＬＥＤシステムの後段の光学部品寸法も大きくする必要があった。好適な実施形態では、各ダイオードを、電気絶縁のためのトレンチエッチングの許容範囲内で、互いに近づけて配置される。トレンチの幅を数ミクロン程度として、実施形態におけるダイオードのパッキング密度が極めて高くなるようすることができる。図１８に示されるように、４つの１ｍｍ2ダイは、一体に組み立てられ単一のスーパーストレートとサブマウントとを共有する。サブマウント上の金属トレース８１は、４つのＬＥＤを直列に電気接続する。それぞれの１ｍｍ2ＬＥＤは、３Ｖで通常動作するが、図１８の４つの直列接続ＬＥＤモジュールは、１２Ｖで動作する。サブマウントは、六角形設計としてモジュールの有効光源寸法を小さくする。
【００４６】
トレース金属被覆８１は、外部接続用のワイヤーボンドのために使用され、例えば、Ａｇ又はＡｌの反射金属被覆で構成される。
【００４７】
高反射ｐ型電極の近傍に活性領域層を配置することにより、光取出し効率は更に改善できる。活性領域の中心が、反射性ｐ型電極から、材料（〜□／４ｎ）内の光の１／４波長のほぼ奇数倍の範囲内とされると、下方及び上方に進む光の建設的な干渉によって、出力が優先的に上方に出される放射パターンとなる。この機能向上は、ＩＩＩ−窒化物基板に対して垂直に近い方向に対するもので、全てがＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層の内部に反射される恐れはない。その代りに、活性領域をｐ型電極反射体に近づくように（又は、離れるように）わずかに動かすことによる共振条件の同調をわずかにずらし、全光束の全ての方向における光取出し改善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に関し、活性領域とｐ−型電極との距離は、ほぼ１／４波長にすべきである。ｎ型電極が位置する区域から活性領域が除かれて干渉効果が発生しなくなると、ｎ型電極は、ｐ型電極と活性領域との距離の関係に対する影響力を失う。
【００４８】
図１９は、ＬＥＤダイを製造するためのプロセスフローチャートを示す。ステップ９１において、ＩＩＩ−窒化物ヘテロ構造が成長基板に堆積される。ステップ９２では、ＩＩＩ−窒化物ヘテロ構造にコンタクトが付与され、必要に応じエッチングされる。ｐ型コンタクトは半透明でありｐ型層に接続され、一方、ｎ型電極は、ｎ型層に電気的に接続される。選択的なステップ９３及び９４では、各々、ｎ型コンタクトにｐ型コンタクトを介在させる領域に、金属間誘電体を少なくともｎ型コンタクト上に設けるとともに、シート反射体が各々に設けられる。ステップ９５では、選択的なバリアを設け、各コンタクト及び反射体をはんだから保護する。ステップ９６では、はんだ金属が付与される。選択的なステップ９７では、はんだ金属がパターン形成される。ステップ９８では、はんだ区域を規定するために誘電体が設けられる。ステップ９９では、誘電体がパターン形成される。ステップ９７又はステップ９９の後に、ＬＥＤダイがサブマウントに取り付けられる。
【００４９】
図２０は、ＬＥＤダイ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す。ステップ１００において、サブマウントウェーハにはんだが付与される。ステップ１０１では、ＬＥＤダイとサブマウントとの間に接合部が形成される。選択的ステップ１０２では、ＬＥＤダイとサブマウントとの間に余盛が施される。ステップ１０３では、サブマウント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。
【００５０】
代替的に、ステップ１０５が、ステップ１００、ステップ１０１、及び、ステップ１０２の代わりとして行なわれる。ステップ１０６では、ＬＥＤに、はんだが付与される。ステップ１０７では、ＬＥＤダイとサブマウントウェーハとの間にジョイントが形成される。選択的ステップ１０７では、ＬＥＤダイとサブマウントとの間に余盛が施される。
【００５１】
本発明の前述した実施形態は、単なる例示であって限定を意図するものではない。同業者であれば、本発明の広範な様態から逸脱することなく、種々の変更及び修正を行うことができるのは明白であると考える。従って、特許請求の範囲は、このような変更及び修正のすべてが本発明の真の精神及び範囲にあるものとしてこれらを包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア製基板を有する従来のＩＩＩ−窒化物発光デバイスを示す。
【図２】ＳｉＣ基板を有する従来の他のＩＩＩ−窒化物発光デバイスを示す。
【図３】接合部から外気までの熱抵抗を関数とした最大順方向電流を示す。
【図４Ａ】ｐ型電極吸収を関数としたＬＥＤ取出し効率を示す。
【図４Ｂ】ｎ型電極が銀ｐ型電極と組み合わせて使用された場合のｎ型電極吸収を関数としたＬＥＤ取出し効率を示す。
【図５】従来の発光デバイスにおいて捕捉された光を示す。
【図６ａ】本発明の実施形態の平面図を示す。
【図６ｂ】図６ａの６ｂ−６ｂ線に沿う断面図を示す。
【図７】本発明の実施形態を示す。
【図８】本発明の実施形態を示す。
【図９】本発明の実施形態を示す。
【図１０ａ】本発明の実施形態の平面を示す。
【図１０ｂ】図１０ａの１０ｂ−１０ｂ線に沿う断面図を示す。
【図１１ａ】図１０ａ及び図１０ｂに示す実施形態の部分断面図を示す。
【図１１ｂ】図１０ａ及び図１０ｂに示す実施形態の部分断面図を示す。
【図１２ａ】本発明の実施形態の平面図を示す。
【図１２ｂ】本発明の実施形態の平面図を示す。
【図１３ａ】本発明の代替実施形態を示す。
【図１３ｂ】本発明の代替実施形態を示す。
【図１３ｃ】本発明の代替実施形態を示す。
【図１４】ＳｉＣ吸収効率を関数としたＧａＮ／ＳｉＣ反転型ＬＥＤの取出し効率を示す。
【図１５】基板に反転型ピラミッドを有する実施形態を示す。
【図１６】サブマウントの代替実施形態を示す。
【図１７ａ】本発明による多層直列相互接続発光構造を示す平面図である。
【図１７ｂ】図１７ａに対応する概略図を示す。
【図１８】サブマウントに接続された多層直列相互接続発光構造を示す。
【図１９】ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを製造するためのフローチャートを示す。
【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す。尚、各図面に使用される同一の参照符号は、類似の又は同一の要素を表す。
【符号の説明】
１０  スーパーストレート
１１  ＩＩＩ−窒化物層、
１２  ｐ−型層
１３  活性領域
２０  ｐ型電極金属被覆
２２  ｎ型電極
４１、５４  導電境界部
４２  誘電性不活性化層
５０  サブマウント
５２  サブマウント電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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