(57)【要約】  エピタキシャルに成長した金属鏡である第１鏡と、第２鏡と、前記第１鏡と前記第２鏡の間の少なくとも１つの波腹に位置する又は波腹近くに位置するエピタキシャルに成長した活性領域を備えることを特徴とする発光素子。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）エピタキシャルに成長した金属鏡である第１鏡と、
（ｂ）第２鏡と、
（ｃ）前記第１鏡と前記第２鏡の間の少なくとも１つの波腹に位置する又は波腹近くに位置するエピタキシャルに成長した活性領域を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第１鏡がＩＩＩ族窒化物構造体上で成長することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
（ａ）前記第１鏡と前記第２鏡の間に配されるｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、
（ｂ）前記第１鏡と前記第２鏡の間に配されるｐ型ＩＩＩ族窒化物層を更に備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１鏡と前記第２鏡の間に配されるp-AlGaN層を更に備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１鏡が部分的に光透過性を備えるとともに部分的に光反射性を備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項６】
透明な基板を更に備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項７】
前記第１鏡が光反射性を備えるとともに光透過性を有さないことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型ＩＩＩ族窒化物層がエピタキシャルに成長し、連続的な光波の波腹に又は連続的な光波の波腹近くに前記活性領域の中央を位置させるような厚さを備えることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項９】
前記ｐ型ＩＩＩ族窒化物層がエピタキシャルに成長し、連続的な光波の波腹に又は連続的な光波の波腹近くに前記活性領域の中央を位置させるような厚さを備えることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項１０】
キャビティ長Ｌｃがｄ１とｄ２の和算値に等しく、
前記ｄ１は、前記活性領域の前記中央とエピタキシャル成長した金属鏡の間の距離であり、数式（０．２５λ／Ｎ）＋Ｍ（０．５λ／Ｎ）−ＰＤ１で表され、
前記ｄ２は、前記活性領域の前記中央と前記第２鏡の間の距離であり、前記第２鏡が金属である場合には、数式（０．２５λ／Ｎ）＋Ｍ（０．５λ／Ｎ）−ＰＤ２で表され、前記第２鏡が分散ブラッグ反射器である場合には、数式（０．７５λ／Ｎ）＋Ｍ（０．５λ／Ｎ）で表され、
前記λは、真空下での前記活性領域により作り出される光の波長であり、
前記Ｎは、前記ＩＩＩ族窒化物材料の屈折率であり、
前記Ｍは、前記ＩＩＩ族窒化物材料中の波長の半分の値に対する０から始まる整数倍であり、
前記ＰＤ１及び前記ＰＤ２それぞれは、前記第１鏡と前記第２鏡への前記光の侵入深さであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１１】
前記活性領域の厚みを有する部分が、０．２５λ／Ｎ未満の幅を有し、連続的な光波の波腹又は連続的な光波の波腹の近くに前記活性領域が位置づけられた状態を保ち、
前記λは、活性領域において作り出される真空中の光の波長であり、
前記Ｎは、前記ＩＩＩ族窒化物材料の屈折率であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１２】
前記活性領域の位置が、数式０．１２５（λ／Ｎ）−０．５（ＷＡＲ）で定義される最大偏差を備え、
前記ＷＡＲは、前記活性領域の幅であり、
前記λは、活性領域において作り出される真空中の光の波長であり、
前記Ｎは、前記ＩＩＩ族窒化物材料の屈折率であることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
【請求項１３】
前記第１鏡の組成物が、
Zr、Hf及び（HfxZr1-x（尚、xは０と１の間の数である））、
ZrN、HfN、TiN及び（HfxZryYzN（尚、x+y+z=1である））、
ZrB2、HfB2、YB2及び（HfxZryYzB2（尚、x+y+z=1である））のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１４】
前記第２鏡がエピタキシャル金属鏡であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１５】
前記第２鏡が、アモルファス、多結晶及び微結晶を含む非エピタキシャル金属鏡であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１６】
前記第２鏡が分散ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１７】
前記第２鏡が、半導体／空気界面であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１８】
前記第２鏡が、半導体／エポキシ界面であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１９】
前記第２鏡が、半導体／透明導体界面であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２０】
光結晶構造体を更に備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２１】
前記第２鏡が光結晶の光抽出面であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２２】
粗面処理された光抽出面を更に備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２３】
前記第２鏡が粗面処理された光抽出面であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２４】
前記キャビティ長Ｌｃが離調され、
前記放出波長が正常キャビティモード波長よりも長く、放出された光がオフアクシスモード内で伝播し、該オフアクシスモードは、オンアクシスモードに対して角度を備え、該角度がスネルの法則の臨界角を下回ることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２５】
前記キャビティ長Ｌｃがマイクロキャビティ構造内のものであり、
前記キャビティの位数Int（２ＮＬｃ／λ）が２Ｎ２よりも小さくなる程度に前記キャビティが小さく、
前記Ｌｃは、キャビティ長であり、
前記Ｎは、屈折率であり、
前記λは、真空中の光の波長であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項２６】
（ａ）結晶性ＩＩＩ族窒化物層と、
（ｂ）前記結晶性ＩＩＩ族窒化物層上でエピタキシャル成長した平面反射金属鏡からなることを特徴とするエピタキシ成長構造体。
【請求項２７】
基板を更に備え、
該基板が、サファイヤ、炭化珪素、酸化亜鉛、スピネル（MgAl2O4）、AlN、GaP、MgO、LiGaO2、LiAlO2、NdGaO3、ScAlMgO4、Ca8La2(PO4)6O2のうち少なくとも１つの組成物を備えることを特徴とする請求項２６記載の構造体。
【請求項２８】
前記金属層が、
Zr、Hf及び（HfxZr1-x（尚、xは０と１の間の数である））、
ZrN、HfN、TiN及び（HfxZryYzN（尚、x+y+z=1である））、
ZrB2、HfB2、YB2及び（HfxZryYzB2（尚、x+y+z=1である））のうち少なくとも１つの組成物を備えることを特徴とする請求項２６記載の構造体。
【請求項２９】
前記金属層が、１５０ｎｍ以下の所定の厚さ寸法を備え、７００ｎｍより短い波長の光に対する透過率がゼロより大きく、共振器型発光ダイオードに使用可能であることを特徴とする請求項２６記載の構造体。
【請求項３０】
前記金属層が、１５０ｎｍ以上の所定の厚さ寸法を備え、７００ｎｍより短い波長の光に対する反射率がゼロより大きいことを特徴とする請求項２６記載の構造体。
【請求項３１】
前記エピタキシャル成長した金属鏡層上でエピタキシャル成長した第２のＩＩＩ族窒化物層を更に備えることを特徴とする請求項２６記載の構造体。
【請求項３２】
前記第２のＩＩＩ族窒化物層が、前記エピタキシャル成長した活性領域を波腹に位置づける又は波腹近くに位置づけるような所定の厚さを備えることを特徴とする請求項３１記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は以下の米国仮特許出願の米国特許法１１９条（ｅ）の下に利益を主張するものである。この米国仮特許出願とは、米国仮特許出願第６０／８３５，９３４号（出願日：２００６年８月６日、発明の名称：“III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVICES WITH ONE OR MORE RESONANCE REFLECTORS AND REFLECTIVE ENGINEERED GROWTH TEMPLATES FOR SUCH DEVICES, AND METHODS、by R.J. Jorgenson”）及び、米国仮特許出願第６０／８２１，５８８号（出願日：２００６年８月７日、発明の名称：“III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVICES WITH ONE OR MORE RESONANCE REFLECTORS AND REFLECTIVE ENGINEERED GROWTH TEMPLATES FOR SUCH DEVICES, AND METHODS、by R.J. Jorgenson”）である。
上記の両仮特許出願は参照されることにより本明細書中に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
本発明は半導体発光素子に関する。
【０００３】
本出願全体にわたって、文献が引用される。これら文献の各々の開示は参照することによって全体に組み込まれるものとする。
【０００４】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は電気的励起から光を発生させる半導体デバイスであり、該電気的励起において電子と正孔は結合して消滅し、その結果、光子が形成される。
【０００５】
これらの構造はＯＭＶＰＥ（有機金属気相成長）によって一般的にサファイア基板上又は炭化ケイ素基板上で成長する。
【０００６】
図１はＯＭＶＰＥで成長した標準的なＩＩＩ族窒化物の半導体ＬＥＤの1つの実施例を示す。該半導体ＬＥＤはサファイア基板（１０１）、もともとドープされた厚さ２μｍの窒化ガリウム（GaN）バッファ層（１０２）、シリコンをドープした２μｍのｎ型GaN層（１０３）、単一量子井戸又は多重量子井戸からなる窒化インジウムガリウム活性領域（１０４）、マグネシウムをドープしたｐ型AlGaNからなる電流阻止層（１０５）、及びマグネシウムをドープしたｐ型GaN層（１０６）からなる。
【０００７】
このＬＥＤ構造は基板上でエピタキシャルに成長することにより（この場合、基板はサファイアである）、複数のＬＥＤが基板表面上で形成され、電気端子（２０７、２０８）が図２で示される単一ＬＥＤの各々のｎ型GaN層（２０３）及びｐ型GaN層（２０６）上に配されるようになる。
【０００８】
ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、非導電サファイア基板上で成長する際、約２μｍの厚さのGaNバッファ層（１０２）を必要とする（特許文献１及び特許文献２）。これは、デバイスのｎ型層（１０３）、活性領域（１０４）、及びｐ型層（１０５、１０６）が成長する前にデバイスの品質材料を獲得するためである。他の方法も存在するが、一般的にはこの拡張された２μｍの厚みは、GaNバッファ層（１０２）が成長中に合体し、結果としてデバイス品質の材料を生じさせることを要求される。
【０００９】
標準的なＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、半導体（NGaN=2.4）と空気（Nair=1）の間の屈折率が異なるため、通常は光抽出が少ない。ＬＥＤの内部で放射される光の大部分は外部の媒体（空気）に到達するためにスネルの窓を通って漏れ出ることはなく、したがって、ＬＥＤの抽出表面からの抽出効率はおよそ６％である。
【００１０】
光抽出を改善する方法の１つは、発生する光の量を減少させるためにデバイスの表面の光放射表面を成形する段階を備え、この発生する光は特許文献３に記載の全内部反射によって失われる。光抽出を改善する成形技術は、デバイス表面を任意でテクスチャすることによって光の散乱を実現することである。
【００１１】
他の光抽出改善方法は、特許文献４に記載の光結晶構造を有する層を形成することである。上記に沿って設計されると、光結晶が導波モードを抑制することで、より多くの光が垂直モード又は直接的なモードを介して回折によってデバイスから抽出されるようになる。表面のテクスチャ構造及び光結晶構造には、余分な技術段階及び処理段階のために追加された複雑性の問題が生じており、これらの段階はさらなる層の形成又はエッチング段階を備えることもある。
【００１２】
図３に示される如く、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤには、特許文献５に記載のデバイスのｐ型GaN層（３０６）側上の金属鏡コンタクト部（３０８）を利用するものもある。金属鏡接合はエピタキシャル工程後に蒸着される。この実施例において、金属鏡コンタクト部（３０８）はp-GaN層（３０６）全体を覆う。P-GaN層の厚みを調節すると、結果として鏡の配置によって、図３及び図４のようにデバイスが光学キャビティ（３０９）効果を利用可能となる。活性領域（３０４）から放射された光は、近接に配された金属鏡（３０８）からの反射のため自己干渉する。光学キャビティ効果は水平な光モードの総数を減少させる一方で、垂直モードへの光の放射を増加させる。この実施例において、垂直モードはスネルの窓（Snell's Window）を通って透明な基板を介して容易に抽出される。図４に示されているように、ＬＥＤの活性領域（３０４）の中心を光電界分布（４０１）の最大値に又は最大値の近接に配することは光の抽出に役立つ。光電界分布（４０１）の極大部分（４０２）は波腹と呼ばれる。これは極大部分が定在光波の波腹であるためである。一般的に、活性領域（３０４）の中心を金属コンタクト部（３０８）に対してもっとも近接する波腹（４００）に又は波腹（４００）の近接に配することは、より多くの光がスネルの窓を通過可能とするために望ましい。図４で示されるように、連続的な光波（４０１）のうちの波腹（４０２）は金属コンタクト部（３０８）から離れて周期的に配される。
【００１３】
上記の光抽出は、デバイスのｐ型GaN層側に対してより容易に適用される。このデバイスのｐ型GaN層側は、エピタキシャル結晶成長の完了後のさらなる処理に容易に利用しやすい。サファイア基板は非導電性であり、ｎ型GaN層側をまず成長させることが好ましい。ｎ型GaN層側は埋設されるようになるが、サファイアが頑丈で強固なため、さらなる工程における基板側面からｎ型GaN層側にアクセスすることは難しい。
【００１４】
２つの鏡の共振キャビティ発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）又はマイクロキャビティ発光ダイオード（ＭＣＬＥＤ）は半導体発光デバイスからの光の抽出を増加させるさらなる方法である。活性領域は２つの適切に配された鏡の間に光学キャビティを作り出すような方法でＬＥＤ内部に配される。この２つの適切に配された鏡は、ＬＥＤ内部の光学モードの総数を減少させることによって、光の放射を垂直モード又は単一モードへと方向付ける。
【００１５】
高反射鏡を部分反射鏡と結合させてキャビティを作ることは、特許文献６に記載されているように、標準的なＬＥＤの３０％から５０％の範囲で光の放射効率を高めると予想されている。
【００１６】
キャビティＬＥＤを適切に機能させるための鍵となるのは、共振干渉又は建設的干渉を獲得するための活性領域に対する鏡の配置である。
【００１７】
ＬＥＤの外部ｐ型ＩＩＩ族窒化物表面上の金属鏡を連続的な光波の波腹に又は波腹の近接に配された活性領域と結合させることは、特許文献５に記載の標準的な蒸着技術を用いて比較的に容易に実行可能である。
【００１８】
連続的な光波の波腹又は波腹の近接のｎ型ＩＩＩ族窒化物領域内部に鏡を結合させるための技術のひとつは、分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のエピタキシャル成長を備える。この分散ブラッグ反射器は半導体材料の代替層からなり、各材料は様々な屈折率及び４分の１の波長の厚みを有する。これら多くの層が光学キャビティの十分な反射性を得る必要がある。
【００１９】
これらＤＢＲがエピタキシャルに成長する一方で、ＤＢＲには特有の不利な点が多く存在する。材料の層を変化させる段階には格子の不一致という問題が生じ、これはウェハーの亀裂増加、結晶質の低下、収率低下、均一性の低下、及び製造コストの増加を招くこともある。さらに、ＤＢＲは金属及び他の半導体材料と比較して電気抵抗が高く、結果的にデバイスへの電流注入が少なくなる。
【００２０】
特許文献６は、共振光マイクロキャビティを有するフリップチップ発光ダイオードを開示する。この発光ダイオードは連続的な光波の波腹の又は波腹近接のＤＢＲを用いる。デバイスに特有のＤＢＲは、以前のＤＢＲ構造と比較して、格子により適合する材料を用いるとともに、層を変化させる必要性が少ない。それにもかかわらず、デバイスは以前のＤＢＲを上回る改善がなされる可能性がある一方で、ＤＢＲの材料組成に特有の製造の複雑さ及び伝導性の欠点を十分には解消していない。
【００２１】
ｎ型ＩＩＩ族窒化物領域内に鏡を配するための他の方法は、任意のバッファ層及びベース基板を除去する段階からなる。この段階の後には、マイクロキャビティに最適に配された界面鏡を作るような方法でｎ型ＩＩＩ族窒化物層を薄層にするとともに研磨する段階が続く。
【００２２】
特許文献７は、ＭＣＬＥＤを開示する。このＭＣＬＥＤはＩＩＩ族窒化物デバイスのｎ型側上に界面鏡を有し、ＩＩＩ族窒化物デバイスはデバイスのｐ型ＩＩＩ族窒化物側上に蒸着した金属鏡と結合する。このＭＣＬＥＤはさらに取り囲まれた活性領域を有し、活性領域は２つの反射面の間にある連続的な光波の波腹に又は波腹の近接に配される。
【００２３】
このＭＣＬＥＤの製造は特許文献８に記載されているように、基板を除去するためにレーザリフトオフを必要とする。さらに、活性領域に対して最適に配された界面鏡を作るとともに、デバイスのｐ型ＩＩＩ族窒化物表面上に蒸着した高反射金属鏡を作るために、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層は精密で正確な厚みにエッチングされなければならない。
【００２４】
本手法が機能的であることが示されてきたが、レーザリフトオフ及びその後のエッチングの工程は商業化及び高収率の獲得が困難である。
【００２５】
望まれているのは、煩わしい材料の除去又は複雑な層化を必要としないマイクロキャビティＬＥＤ構造である。さらに、上記のように、高電流注入を可能にする一方で、様々な光抽出構造を組み合わせることが望ましい。
【００２６】
【特許文献１】米国特許第４，８５５，２４９号明細書（Isamu Akasaki et al., 出願日：１９８９年8月8日）
【特許文献２】米国特許第５，６８６，７３８号明細書（Theodore D. Moustakas, 出願日：１９９７年１１月１１日）
【特許文献３】米国特許第５，７７９，９２４号明細書（Michael R. Krames et al, Jul 14, 1998）
【特許文献４】米国特許第６，８３１，３０２号明細書（Alexei A. Erchak et al, Dec 14, 2004）
【特許文献５】米国特許第６，５７３，５３７号明細書（Daniel A. Steigerwald et al, Jun 3, 2003）
【特許文献６】米国特許第６，９６９，８７４号明細書（Gee et al., November 29, 2005）
【特許文献７】米国特許出願第２００７／００９６１２７号明細書（P. Morgan Pattison, May 3, 2007）
【特許文献８】米国特許第６，０７１，７９５号明細書（Nathan W. Cheung et al, Jun 6, 2000）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
改善された光抽出の光キャビティ効果を利用するデバイス構造が説明される。このデバイス構造は光抽出特性に関連するとともにエピタキシャルに成長した金属鏡の様々な構造に関連して、最適な厚みを有し最適に配された活性領域からなる。この開示の目的としては、上記埋め込まれた鏡（又は鏡の構造）はエピタキシャルに成長した金属鏡（ＧＥＭＭ）又はＧＥＭＭ層と定義される。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
実施例によっては、デバイス構造はＧＥＭＭ及び第２鏡を備える光キャビティを備えることもある。第２鏡は分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、非エピタキシャル成長の金属鏡、界面鏡、ＧＥＭＭ、又は任意の他の鏡構造であってもかまわない。他の実施例において、前記第２鏡は粗面、光結晶、又は他の光抽出構造に置き換えられてもよい。光抽出構造の任意の組み合わせはＧＥＭＭと結合されても良い。多くの実施形態が用いられ、一方の側又は両側で複数の光抽出構造を組み合わせる段階を含む。
【００２９】
構造によっては、光は基板の側面から離れ、デバイスの上部を通って伝播することもある。他の構造において、光は「フリップチップ」ＭＣＬＥＤ又はＲＣＬＥＤの形状でデバイスの底部にある透明な基板を通って伝播することもある。他の構造において、光は１以上の方向から放たれる。
【００３０】
共振キャビティデバイスを作るために、ＧＥＭＭが連続的な光波節点に又は光波節点の近接に配されることにより、活性領域で発生する光とＧＥＭＭから反射された光との間に建設的な干渉を作ることもある。これにより、光をモード（又は単一モード）へ方向付けることが可能となり、ＬＥＤから伝播する光の量を増加させる。光キャビティデバイスによって生じる光は標準的なＬＥＤと比較して、より多くの方向性を有するとともにそのスペクトルは純粋である。
【００３１】
ＧＥＭＭはバルク材料の特性に従って非透過性で高反射性を有するように成長するか又は半透過性で成長することにより、ＧＥＭＭの成長時間、及びさらにはエピタキシの際の厚みを調節するだけで、異なるデバイス構造の必要条件を満たす。ＧＥＭＭに用いられる材料はＩＩＩ族窒化物層の格子定数に厳密に一致するとともにデバイス品質を成長させる。
【００３２】
適切に用いられるＧＥＭＭ層は、分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）又は非エピタキシャル鏡のような現在適切に用いられているデバイス構造の構成要素を凌ぐ多くの有利性を有する。
【００３３】
例えば、ＧＥＭＭ層は、ＤＢＲのような欠点と亀裂を生み出す無数の代替的な半導体材料を層化する必要はない。
【００３４】
上記の光キャビティ構造が形成されるように平面反射ＧＥＭＭ層を発光デバイス構造内部に埋め込むことは、レーザリフトオフ又は材料のエッチングといった材料の除去を含むものではない。ＧＥＭＭを有するこれらの代替構造を作るための段階は、上記の他の構造と比較して集約的な工程が少ないため、容易に商業化が可能である。
【００３５】
さらに、ＧＥＭＭ層は導電層として用いることによって電流注入及び電流分配を増加させる。また、電流分配が優れていると、静電放電の確実性は改善される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】標準的なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤのエピタキシャルスタックを例示する。
【図２】工程の後の標準的なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを例示する。
【図３】改善された光抽出に対する非エピタキシャル金属鏡コンタクト部（３０８）を有する標準的なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを例示する。
【図４】標準的なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの伝導帯及び価電子帯の図を例示する。このＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは改善された光抽出のための非エピタキシャル金属鏡コンタクト部を有し、光電界は近似値である。
【図５】本発明の第１、第２、第３、及び第４の実施形態にしたがってＧＥＭＭを有するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの堆積を例示する。
【図６】本発明の第１の実施形態にしたがって、ＧＥＭＭ及び改善された光抽出のための非エピタキシャル金属鏡を有するＩＩＩ族窒化物キャビティＬＥＤ（マイクロキャビティＬＥＤとして知られる）を例示する。
【図７】図６のＬＥＤの伝導帯及び価電子帯の図を例示し、光電界は近似値である。
【図８】本発明の第２の実施形態にしたがって、ＧＥＭＭ及び改善された光抽出のための非エピタキシャルで光透過性の導電体を有するＩＩＩ族キャビティ型ＬＥＤを例示する。
【図９】図８のＬＥＤの伝導帯及び価電子帯の図を例示し、光電界は近似値である。
【図１０】本発明の第３の実施形態にしたがって、ＩＩＩ族窒化物表面を粗面処理した共振器を利用するキャビティＬＥＤを例示する。このＬＥＤは粗面処理したp-GaN層と結合するＧＥＭＭ及び改善された光抽出のための非エピタキシャルで光透過性の導電体を有する。
【図１１】図１０のＬＥＤの伝導帯及び価電子帯の図を例示し、光電界は近似値である。
【図１２】本発明の第４の実施形態にしたがって、ＩＩＩ族窒化物の光結晶共振器を利用するキャビティＬＥＤを例示する。このＬＥＤは光結晶構造のp-GaN層と結合するＧＥＭＭ及び改善された光抽出のための非エピタキシャルで光透過性の導電体を有する。
【図１３ａ】本発明の第４の実施形態にしたがって、図１２のＬＥＤの伝導帯及び価電子帯の図を例示し、光電界は近似値である。
【図１３ｂ】本発明の第４の実施形態にしたがって、導波モードを抽出するために用いられる光結晶構造を例示する。
【図１４】図６のＬＥＤのフローチャートを例示する。
【図１５】図８のＬＥＤのフローチャートを例示する。
【図１６】図１０のＬＥＤのフローチャートを例示する。
【図１７】図１２のＬＥＤのフローチャートを例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下の実施形態の記載において、引用は添付の図に対してなされる。添付図は引用の一部を形成し、添付図中においては実例として本発明が実施される特徴的な実施形態が示される。図において、層及び領域の厚みは明確にするために誇張されている。この開示が徹底した完全なものとなり、当業者に教示が伝わるようにこれらの実施形態は提供される。他の実施形態が用いられるとともに、構造的な変化は本発明の要旨を逸脱しない範囲でなされることを理解されたい。
【００３８】
半導体発光構造及びデバイスは発光構造がＧＥＭＭ上で成長する場合に記載され、その場合、ＧＥＭＭは先に成長したＩＩＩ族窒化物の複数層又は層上でエピタキシャルに成長する。これによって、多くの光を抽出する光学キャビティ効果を作り出すために、非常に精密かつ正確にエピタキシャル構造内部にＧＥＭＭを配することが可能となる。さらに、鏡がエピタキシャルに成長するため、鏡の厚みは半反射器又は非透明な反射器のいずれかを形成するために制御される。単一鏡又は二つの鏡を備えるＲＣＬＥＤ又はＭＣＬＥＤの様々な構造は、他の構造と同じく１以上のＧＥＭＭ層を用いることによって成長するとともに加工される。
【００３９】
ＧＥＭＭが活性領域に対して配されることによって、活性領域から放射された光及びＧＥＭＭから反射された光は、光学キャビティ効果を作り出すために建設的に干渉する。光学キャビティ効果はデバイスの効率を高めるとともに、照明、光ファイバー通信、生物学的因子の検出、フラットパネルディスプレイなどの異なる応用例及び他の応用例のスペクトル純度及びスペクトルの指向性を調整する。
【００４０】
最適に結合した構造においてＧＥＭＭ及び活性領域を有することにより、第２鏡、光結晶、又は粗面は発光特性を改善するか又は調整するように追加的に結合可能である。
【００４１】
ＧＥＭＭの厚みは成長工程中に構成されることにより、鏡の光反射特性又は光透過特性（部分的な透過性から完全な透過性へと）を微調整する。エピタキシャル成長中の上記のような制御は、多数の半導体発光デバイスの光学キャビティ効果を最大限利用する柔軟性を与える。
【００４２】
デバイス品質のＧＥＭＭが以下にさらに記載される。このデバイス品質のＧＥＭＭは、従来のＩＩＩ族窒化物半導体素子のエピタキシャルスタックの活性領域付近にあるアクセス困難なｎ型ＩＩＩ族窒化物層内部に配される。当業者にとっては、標準的なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤにおいて、ｎ型層が通常、エピタキシャル成長工程中にｐ型層に先んじて成長するということは周知である。一般的に、ＧＥＭＭがエピタキシャル堆積内部に埋め込まれた鏡を提供することによって、ドープされた層がそれにもかかわらず最初に成長する光学キャビティ効果又はＧＥＭＭ層がそのエピタキシャルスタック内部で成長する光学キャビティ効果をもたらす。ＧＥＭＭ層がデバイス全域に埋め込まれた高導電性キャリア輸送層としても機能することによって、ｎ型層又はｐ型層のいずれかへの電流注入を改善する。さらに、ＧＥＭＭは問題のある静電放電の損害を減少させる。
【００４３】
ＧＥＭＭの材料は様々な金属及び金属化合物を備える。これら金属及び金属化合物は基盤となるＩＩＩ族窒化物構造に厳密に格子整合するように成長して、高転位密度の困難性を回避する。さらに、ＧＥＭＭの材料はＩＩＩ族窒化物構造に格子整合した熱膨張性材で、亀裂及び転位密度の困難性を回避する。
【００４４】
ＧＥＭＭ層は対価金属及び／又は、ＩＶＢ族金属Zr、Hf、（xが０及び１、又は０から１の間の場合、HfxZr1-xである）、及び遷移金属ニホウ化物ZrB2、HfB2、YB2、及び（x＋y＋z＝１の場合、HfxZryYzB2）、遷移金属窒化物ZrN、HfN、TiN、及び（x＋y＋z＝１の場合、HfxZryYzN）のような金属化合物からなる。
【００４５】
ＧＥＭＭ材料のバルク伝導性は、発光構造に現在のところ組み込まれる適度にドープされたｎ型ＩＩＩ族窒化物層よりも約３０倍の伝導性を有する。ＧＥＭＭの高伝導特性は電流が流れる経路を作ってデバイス全域での電荷キャリア輸送を改善するとともに、望まれない静電放電の影響を和らげる。
【００４６】
ＧＥＭＭの優れた伝導性は、活性領域よりも先にＩＩＩ族窒化物発光デバイスの高抵抗性ｐ型材料及びｎ型材料をエピタキシャルに成長させることを優先する。これによって、基板の側面から離れたｎ型エピタキシャル層上面の表面テクスチャの設計において融通性をより利かせることが可能となる。
【００４７】
＜ＧＥＭＭを用いる技術的検討事項＞
ＬＥＤにおける光子放射工程の詳細は、通常、光の放射を電磁モードと結び付けて考えることに関連する。キャビティを導入しなければ、均一で自発的な放射体はバルク材料内部で一様に放射し、放射物は立体角の全４πを覆う。
【００４８】
バルク材料内で放たれるあらゆる光の中で、通常角及び臨界角θc＝sin-1（Nout/NGaN）の間でバルク材料及び外部媒体の界面に伝播する放射物のみが、キャビティの存在に関係なくバルク材料から外部媒体内に流出する。この流出「窓」はスネルの窓として知られている。
【００４９】
ＬＥＤの抽出効率は発生するモードと比較して、臨界角θcの範囲内に含まれるモードの比率と等しい。
【００５０】
光電磁モードは１以上の次元に制限されると、自由空間の光学モード密度とみなされるものが再編成される。自由空間の光学モード密度の上記再編成は放射経路も変更させる一方で、周波数を増減させる。
【００５１】
キャビティが抽出した放射物は離散モードの範囲内で伝播するのみで、したがってキャビティによって制御された方向を伝播する。各モードは全放射電力の一部を等しく含む。
【００５２】
標準的なＬＥＤ又はＲＣＬＥＤの抽出効率は、発生する光の量と比較してスネルの窓から流出する光の量と等しい。しかしながら、光が閉じ込められているためにＲＣＬＥＤ内部の放射分布の変化によって、バルク型ＬＥＤよりも多くの光がスネルの窓から流出する。
【００５３】
ＲＣＬＥＤは標準的なＬＥＤよりも発光出力が高いが、活性領域が連続的な光波の様々な波腹に又は波腹近接に配されているので、ＲＣＬＥＤのキャビティ長のほとんどの部分を変化させても発光出力は変化しない。ＲＣＬＥＤの領域において、キャビティ長が減少するので、スネルの窓を通して導波モードへと抽出されるモードの比率は常に一定である。これは、活性領域が連続的な光波の様々な波腹に又は波腹近接に配されているためである。
【００５４】
しかしながら、キャビティの位数Int（2NGaNLc/λ）が2N2GaNよりも小さくなる（以下のことを留意されたい。関数Int（X）はXを四捨五入して整数にし、NGaNはGaNに対する屈折率であり、λは真空中の光の波長、Lcはキャビティ長である）地点までキャビティ長が減少すると、遷移が起こる。導波モードの数は減少し続け、ＬＥＤの抽出効率は増加するが、スネルの窓を通って抽出されるモードの数は一定である（例えば、１のモード）。キャビティ長のこの領域はマイクロキャビティ領域と呼ばれ、この領域において動作するＲＣＬＥＤはＭＣＬＥＤと呼ばれる。
【００５５】
ＬＥＤの活性領域の近接の平面反射ＧＥＭＭを用いることによって、ナノ光学キャビティ効果が生じる。ＧＥＭＭが反射するほどの厚みを有することにより、放射物は基板の側面から離れてデバイスの上部を通って抽出されるようＧＥＭＭから離れて方向付けられる。ＧＥＭＭが半反射性を有するほどの薄さであることにより、放射物はスネルの窓を通って抽出されるように半反射器を介して方向付けられる。このようなＧＥＭＭは本明細書に記載の如く無数のＬＥＤ構造において非常に有用である。
【００５６】
上記のようにＧＥＭＭを用いるためには、ＧＥＭＭはＭＣＬＥＤ、ＲＣＬＥＤ、又は設計されたテンプレートの確実なエピタキシャル成長及び商業化を可能にする特定の特性を有していなければならない。ＧＥＭＭは格子定数、熱膨張係数、温度安定性、反射性、電気的性質などの特性においてＩＩＩ族窒化物材料と互換性がなければならない。
【００５７】
連続的な光波が周期関数を有しているキャビティ発光体であるので、このキャビティ発光体は、キャビティが適切な長さであるとともに、活性領域が連続的な光波の波腹に又は波腹近接に配されるようなものである。本明細書中で記載されるキャビティの構造は、図５のように、キャビティ長LCがd1＋d2と等しいという関係性に従うものとする。
このとき、d1＝活性領域の中心及びＧＥＭＭ間の距離であり、
d1＝（０．２５λ／Ｎ）＋Ｍ（０．５λ／Ｎ）−ＰＤ１  である。
【００５８】
d2＝活性領域の中心及び第2鏡又は反射界面の間の距離である。
もし第２鏡が金属の場合、d2＝（０．２５λ／Ｎ）＋Ｍ（０．５λ／Ｎ）−ＰＤ２で、第２鏡がＤＢＲ又は粗面処理された表面である場合、
d2＝（０．７５λ／Ｎ）＋Ｍ（０．５λ／Ｎ）であり、
λは真空中の活性領域によって生じた光の波長である。
ＮはＩＩＩ族窒化物材料の屈折率である。
ＭはＩＩＩ族窒化物内の半分の波長に対する０から始まる整数倍である。
ＰＤ１及びＰＤ２はＧＥＭＭ及び第２鏡（もし金属であれば）それぞれへの光の侵入深さである。
ＧＥＭＭ層の厚みが修正されるため、ＰＤ（侵入深さ）の結果としての位置は修正される必要がある。
明確にするため、第２鏡又は抽出界面は図５において、基板（５０１）から離れてp-GaN層（５０８）の上部に配される。
【００５９】
活性領域が連続的な光波の波腹にのみ又は波腹近接にのみ確実に配されるために、放射領域の厚みが０．２５λ／Ｎ未満の値に制限される。活性領域が中央に位置せずにこの幅の外側を同じモードの節点へと拡張するように配されると、効率が下がる。
【００６０】
上記活性領域の配置のエラーは活性領域の幅次第である。活性領域が厚ければ厚いほど、最適性能においてエラーは少なくなる。図５で示されているように、WARが活性領域の幅である場合、エラーは、０．１２５（λ／Ｎ）−０．５（WAR）であるとみなされる。活性領域の配置に関わるエラーが破棄される場合でも、光結晶又は複数の光結晶、及び粗面処理された表面又は標準的なＬＥＤに由来する形状の他のデバイスのような、他の光抽出構造が利用可能でなければ、デバイスは非効率的にしか機能しない。
【００６１】
さらに、粗面処理された表面又は光結晶は、導波モード又は複数の導波モードの光抽出に役立つこともある。そのうえ、デバイスが設計されることによって、導波要素は意図的に粗面処理された構造又は光結晶構造の特徴と結合して「導波抽出モード」を形成する。デバイス構造が最適化されることによって、ＧＥＭＭを用いて光マイクロキャビティ効果の使用を介して導波モードを排他的に抽出する。これは、特に、自由空間の光学モード密度の再配置を介して行われる。上記方法は下記の１以上の実施形態で示される。
【００６２】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の構造図及びバンド図は、図６及び図７それぞれに示される。
【００６３】
ＧＥＭＭ（６０４）は、様々な形状の光共振器半導体発光素子に利用可能である。第１の実施形態において、ＧＥＭＭ（６０４）はその高反射性のバルク特性により薄く成長するので、ＧＥＭＭ（６０４）は部分的に光透過性を備えたり、或いは部分的に光反射性を備えたりする。第１の実施形態は、平面状のＩＩＩ族窒化物材料成長テンプレートを利用する。このテンプレートは、デバイス品質のサファイア基板（６０１）、i-GaNバッファ層（６０２）及びn-GaN層（６０３）からなる。そのため、ＧＥＭＭ（６０４）の結晶品質は、平面状で、正反射性であり、またデバイス品質に平面で正反射性の特性を与える。ＧＥＭＭ（６０４）はn-GaN層（６０３）に格子整合するので、所望の厚さを備える部分はエピタキシャルの臨界厚さ以下となる。
【００６４】
２μｍのi-GaNバッファ層（６０２）及び２μｍのn-GaN層（６０３）がサファイア基板（６０１）上で一旦成長すると、ＧＥＭＭ（６０４）は、共振キャビティの特定の厚さ（２０ｎｍ以下）に成長する。このため、ＧＥＭＭ（６０４）は部分的に光透過性を備え、或いは部分的に光反射性を備える。ＧＥＭＭ（６０４）がn-GaN層（６０３）上で一旦成長すると、第２のn-GaN層（６０５）は共振キャビティ（６１１）に最適な厚さである特定の厚さ（１２００Åまで）に成長する。これは、活性領域（６０６）が波腹（７０２）に又は波腹（７０２）近くに位置するためである。波腹（７０２）は、図７に示す通り、光電界（７０１）の最大値にあり、幅は０．２５λ/NGaN以内である。（NGaNは屈折率であり、λは真空中における発光波長である。）
【００６５】
第１の実施形態において、図示されるＲＣＬＥＤは、約３０００Åのキャビティ長（６１１）（マイクロキャビティ領域内）を有する５００ｎｍの波長で光を放射する。活性領域（６０６）内で発生した光は、厚み及び高反射性を備えた非エピタキシャル金属鏡（６１０）と薄さ及び部分的な反射性及び部分的な透過性を備えたＧＥＭＭ（６０４）間で共振する。キャビティは鏡（６０４）、（６１０）が間隔を空けて配されたもので、活性領域（６０６）により発生した光は鏡間において共振する。鏡（６０４）、（６１０）は間隔を空けて配されるので、活性領域（６０６）により発生した光の半波長の整数は、窒化物材料内の鏡（６０４）、（６１０）間において適合する。活性領域（６０６）は鏡間に配され、発生した光は、両方の鏡（６０４）、（６１０）から反射された光を建設的に干渉する。共振光は、デバイスのＧＥＭＭ（６０４）側からサファイア基板（６０１）を通過して出射する（図６及び図７参照）。
【００６６】
ＭＣＬＥＤの活性領域（６０６）の中心を、光電界分布（７０１）の最大値位置（７０２）に、或いは光電界分布（７０１）の最大値位置近くに位置させた状態が、図７に示されている。光電界分布（７０１）の極大部分（７０２）は、定在光波の波腹であるため、波腹（７０２）と呼ばれる。導波モード数の削減及びスネルの窓を介した光抽出の増加は、活性領域（６０６）の中心を非エピタキシャル金属鏡（６１０）のコンタクト部及びＧＥＭＭ（６０４）に最も近い波腹に、或いは非エピタキシャル金属鏡のコンタクト部（６１０）及びＧＥＭＭ（６０４）に最も近い波腹の近くに配置することを必要とする。図７に示す通り、定在光波の波腹（７０２）は、非エピタキシャル金属鏡（６１０）のコンタクト部及びＧＥＭＭ（６０４）から一定の間隔を空けて配される。
【００６７】
以下は、本実施形態に考慮すべき要因である。
ａ）デバイス品質及び平面状のｎ型GaN層テンプレート（６０３）
ｂ）第１のｎ型GaN層（６０３）上で成長したＧＥＭＭの層（６０４）の厚さ、平面度、鏡面反射率及び透過性
ｃ）ＧＥＭＭ（６０４）上で成長した第２のｎ型導電層（６０５）の厚さ及び第２のｎ型導電層（６０５）のデバイス品質
ｄ）取り囲んだ鏡（６０４）、（６１０）に対する活性領域（６０６）の位置
ｅ）ｐ型導電層（６０７）、（６０８）の厚さ、及び
ｆ）非エピタキシャル金属コンタクト部（６１０）の反射性質
【００６８】
方向性及びスペクトルの狭窄化を推進することにより、さらに高い光抽出効果を得る代わりになるようにデバイスの構造を離調することは、興味深いことである。これは、量子井戸構成或いは量子井戸幅を調整して、デバイスの波長を増加させると同時にパラメータを一定に保つことによりなされる。これにより、デバイスの垂線から離れた傾斜した位置へ定在光波が送り込まれる。この調整は、その角度がスネルの窓の範囲内にある場合にのみ行われる。そうでなければ、臨界角外の光は反射されデバイスへと戻ってしまう。スネルの窓の臨界角は、sin-1(Nexit/NGaN)と定義される。Nexitはデバイスの屈折率であり、またNGaNは窒化ガリウムの屈折率である。
【００６９】
ＭＣＬＥＤの形成にレーザリフトオフは必要でないが、サファイア基板（６０１）を取り除くことは、熱抽出或いはｎ側粗面処理に利点をもたらす。さらに、基板が非透過性でない場合（例：シリコン）、シリコン基板は選択的にエッチング処理が施され、図６に示す機能的なデバイス構造体を形成する。このデバイス構造体は、ＧＥＭＭの間にバッファを有しても有さずとも、基板なしで形成される。
【００７０】
この例により、キャビティ長、発光波長及び構造的特徴が変化するという点において限定されることを意図したものではない。したがって活性領域は、一定の放射波長及び放射方向の抽出モードの光電界の範囲内に最適に配される。
【００７１】
変更形態の一例として、より薄い非エピタキシャル金属鏡（６１０）を利用することが挙げられる。この厚さはＧＥＭＭ（６０４）のように約２０ｎｍであり、平面デバイスの両側から光を放射する。
【００７２】
図６に示される構造体のその他の変更形態の例として、２０μｍ以下のＧＥＭＭ層をp-GaN層に或いはp-GaN層上に配し、厚みを有する非エピタキシャル金属鏡を透過性金属コンタクト部と取り替えることが挙げられる。これにより、デバイスの上面部及び底面部から光が漏れる。
【００７３】
他の例は、図６の構造体内に埋め込まれた光結晶からなり、導波モードの抽出或いは導波モードの形成を妨げる。これについては第４の実施形態においてさらに説明する。
【００７４】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の構造図及びバンド図は、図８及び図９それぞれに示される。
【００７５】
ＧＥＭＭ（８０４）は、様々な形状の光共振器半導体発光素子に利用可能である。第２の実施形態において、ＧＥＭＭ（８０４）はその高反射性のバルク特性により厚みを有するように成長するので、ＧＥＭＭ（８０４）はバルク反射特性を呈する。第２の実施形態は、平面状のＩＩＩ族窒化物材料成長テンプレートを利用する。このテンプレートは、デバイス品質のサファイア基板（８０１）、i-GaNバッファ層（８０２）及びn-GaN層（８０３）からなる。そのため、ＧＥＭＭ（８０４）の結晶品質は、平面状で、正反射性であり、またデバイス品質に平面状で正反射性の特性を与える。ＧＥＭＭ（８０４）はn-GaN層（８０３）に格子整合するので、所望の厚さを備える部分はエピタキシャルの臨界厚さ以下となる。
【００７６】
２μｍのi-GaNバッファ層（８０２）及び２μｍのn-GaN層（８０３）がサファイア基板（８０１）上で一旦成長すると、ＧＥＭＭ（８０４）は、共振キャビティの厚さ（１５０ｎｍ以下）にまで成長する。ＧＥＭＭ（８０４）が一旦成長すると、第２のn-GaN層（８０５）は共振キャビティ（８１２）に最適な特定の厚さ（１２６０Åまで）に成長する。これは、図９に示される通り、活性領域（８０６）が幅０．２５λn-GaNの範囲内の光電界（９０１）の極大（９０２）に配されるためである。（ＮGaNは屈折率であり、λは真空中における発光波長である。）
【００７７】
第２の実施形態において、図示されるＭＣＬＥＤは、約２６００Åのキャビティ長（８１２）（マイクロキャビティ領域内）を有する波長５００ｎｍで光を放射する。活性領域（８０６）内で発生した光は、厚さを備えたＧＥＭＭ（８０４）及びp-GaN層（８０８）及び透過性を備えたコンタクト部（８１０）の界面との間で共振する。キャビティは鏡（８０４）、（８１３）が間隔を空けて配されたもので、活性領域（８０６）により発生した光は鏡間において共振する。鏡（８０４）、（８１３）は間隔を空けて配されるので、活性領域（６０６）により発生した光の半波長の整数に波長の４分の１を加えたものは、窒化物材料内の鏡（８０４）、（８１３）間において適合する。活性領域（８０６）は鏡間に配され、発生した光は、両方の鏡（８０４）、（８１０）から反射された光を建設的に干渉する。共振光は、デバイスの透過性を備えたコンタクト部（８１０）側から出射される。
【００７８】
ＬＥＤの活性領域（８０６）の中心を、光電界分布（９０１）の最大値位置（９０２）に、或いは光電界分布（９０１）の最大値位置近くに位置させた状態が、図９に示されている。光電界分布（９０１）の極大（９０２）は、定在光波の波腹であるため、波腹（９０２）と呼ばれる。活性領域（８０６）の中心を鏡に最も近い波腹に、或いは鏡に最も近い波腹の近くに配置することは、多数の導波モードの削減及びスネルの窓を介した光抽出の増加を必要とする。キャビティ長が小さくなるよう鏡を配することは、最も好ましい。図９に示す通り、定在光波の波腹（９０２）は、p-GaN／透過性導電界面（８１３）及びＧＥＭＭ（８０４）から一定の間隔を空けて配される。
【００７９】
以下は、本実施形態に考慮すべき要因である。
ａ）デバイス品質及び平面状のｎ型GaN層テンプレート（８０３）或いはi-GaNバッファ層（８０２）テンプレート
ｂ）第１のｎ型GaN層（８０３）上で成長したＧＥＭＭの層（８０４）の厚さ、平面度、鏡面反射率
ｃ）ＧＥＭＭ（８０４）上で成長した第２のｎ型導電層（８０５）の厚さ及び第２のｎ型導電層（８０５）のデバイス品質
ｄ）包囲した鏡（８０４）、（８１０）に対する活性領域（８０６）の位置
ｅ）ｐ型導電層（８０７）、（８０８）の厚さ、及び
ｆ）p-GaN／透過性導電界面（８１３）及びＧＥＭＭ（８０４）及び透過性導体（８１０）の厚さの反射性質
【００８０】
デバイス効率は標準のＬＥＤの効率よりも優れているが、デバイスをその構造内で光の波長を変えることは興味深いことである。これにより、方向性及びスペクトルの狭窄化の増進は、さらに高い光抽出効率に代替される。これは、量子井戸構成或いは量子井戸幅を調整して、デバイスの波長を増加させると同時にパラメータを一定に保つことによりなされる。これは、デバイスの垂線から離れた傾斜した位置へ定在光波を送り込む。この調整は、その角度がスネルの窓の範囲内にある場合にのみ行われる。そうでなければ、臨界角外の光は反射されデバイスへと戻ってしまう。スネルの窓の臨界角は、sin-1(Nexit/ NGaN)と定義される。Nexitはデバイス外の屈折率であり、またNGaNは窒化ガリウムの屈折率である。
【００８１】
ＭＣＬＥＤの形成にレーザリフトオフは必要でないが、サファイア基板（８０１）を取り除くことは、熱抽出及びデバイスの除去された基板側からの電流注入に利点をもたらす。
【００８２】
この例は、キャビティ長、発光波長及び構造的特徴が変化するという点において限定することを意図したものではない。したがって活性領域は、一定の放射波長及び放射方向の抽出モードの光電界の範囲内に最適に配される。
【００８３】
図８に示される構造体の変更形態の一例として、２０ｎｍ以下のＧＥＭＭをp-GaN層（８０８）内或いはp-GaN層（８０８）上に配することが挙げられる。これにより、ＧＥＭＭの層は、既に存在する厚みを備えたＧＥＭＭ層（８０４）に加え、節点或いは節点近くに配される。放射光は、デバイスのp-GaN層（８０８）側から出射される。さらにこの方法を用い、１のキャビティの位数を有するＭＣＬＥＤは、９０％までの光抽出効率を可能にして達成される。この場合、鏡は１の波腹を包囲した状態である。
【００８４】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態の構造図及びバンド図は、図１０及び１１それぞれに示される。
【００８５】
ＧＥＭＭ（１００４）は、様々な形状の光共振器半導体発光素子に利用可能である。第３の実施形態において、ＧＥＭＭ（１００４）はその高反射性のバルク特性により厚みを有するように成長するので、ＧＥＭＭ（１００４）はバルク反射特性を呈する。第３の実施形態は、平面状のＩＩＩ族窒化物材料成長テンプレートを利用する。このテンプレートは、デバイス品質のサファイア基板（１００１）、i-GaNバッファ層（１００２）及びn-GaN層（１００３）からなる。そのため、ＧＥＭＭ（１００４）の結晶品質は、平面状で、正反射性であり、またデバイス品質に平面状で正反射性の特性を与える。ＧＥＭＭ（１００４）はＩＩＩ族窒化物n-GaN層（１００３）に格子整合するので、所望の厚さを備える部分はエピタキシャルの臨界厚さ以下となる。
【００８６】
２μｍのi-GaNバッファ層（１００２）及び２μｍのn-GaN層（１００３）がサファイア基板（１００１）上で一旦成長すると、ＧＥＭＭ（１００４）は、粗面処理された面を利用した共振キャビティの厚さ（１５０ｎｍ以上）に成長する。一旦ＧＥＭＭ（１００４）がテンプレート上で成長すると、第２のn-GaN層（１００５）は光キャビティ（１０１２）効果に最適な特定の厚さ（１２６０Åまで）に成長する。この場合、図１１に示される通り、活性領域（１００６）の中心は、幅０．２５λ/NGaNの範囲内の光電界（１１０１）の極大（１１０２）に配される。（NGaNは屈折率であり、λは真空中における発光波長である。）
【００８７】
粗面処理されたp-GaN層（１００８）の第３の実施形態は、粗面処理された面が半導体内の放射光の波長に近い、或いは半導体内の放射光の波長よりも大きいという特徴を有する等といった、様々な変化形を有する。特徴は不規則的或いは規則的なものである。
【００８８】
図１０及び図１１の粗面処理された面は縮尺通りに図示されていない。特徴は表現上用いられるのみであることを意味する。
【００８９】
特徴が不規則的である場合、デバイスは、エスケープコーンを見つけるための多数の機会を光子に与えるという方法で動作する。光がスネルの窓を最初に通過しない場合、粗面処理された界面の不規則な反射面は、放射物の方向をさまざまな角度で変更する。この方向を変更された放射物は、ＧＥＭＭへ向かい、粗面処理された接合部分に沿って他の場所へと反射される。この過程は光が吸収されたり、或いは発光素子から光が漏れるまで続く。
【００９０】
特性が規則的である場合、デバイスはなお、光子が反射しエスケープコーンを見つけるため光子に多数の機会を与えるという方法で動作する。しかし、活性領域から粗面処理されたｐ型GaN層面へと放射された光の多くは、散乱或いは回折及び抽出される。
【００９１】
表面は粗面処理されるが、スネルの法則はさらに以下を適用する。すなわち、表面特性を決定する際、ほとんどの衝突放出物は漏れるということを考慮しなければならない。デバイスに対して垂直に伝播する光がデバイスから漏れた場合、表面特性の定位及びデバイスの定位間の角度は、臨界角θc=sin-1（Nout/NGaN）以下となる。
【００９２】
図示される光キャビティＬＥＤは、効率的なキャビティ長約２６００Åを有する５００ｎｍの光を放出する（マイクロキャビティの範囲内で）。活性領域（１００６）内で発生した光は、厚さを備えたＧＥＭＭ（１０４４）から反射される光を建設的に自己干渉する。通常、粗面処理された表面は活性領域から離れて配されるので、半導体界面（１０１３）は波腹に、或いは波腹近くに配される。建設的な干渉光はデバイスの透過性を備えるコンタクト部（１０１０）側から出射する。
【００９３】
ＬＥＤの活性領域（１００６）の中心を光電界分布（１１０１）の最大値位置に、或いは最大値位置（１１０２）近くに配する状態が図１１に示されている。光電界分布（１１０１）の極大（１１０２）は、連続する光波の波腹であるため波腹（１１０２）と呼ばれる。ＧＥＭＭ（１００４）に最も近い波腹に、或いはＧＥＭＭ（１００４）に最も近い波腹の近くに活性領域（１００６）の中心を配すると、導波モードの数の削減が要求され、またスネルの窓を介する光抽出の増加が必要となる。図１１に示すように、連続する光波の波腹（１１０２）は、ＧＥＭＭ（１００４）から一定の間隔を空けて配される。
【００９４】
以下は、本実施形態に考慮すべき要因である。
ａ）デバイス品質及び平面状のｎ型GaN層テンプレート（１００３）或いはi-GaNバッファ層（１００２）テンプレート
ｂ）第１のｎ型GaN層（１００３）上で成長したＧＥＭＭの層（１００４）の厚さ、平面度、鏡面反射率
ｃ）ＧＥＭＭ（１００４）上で成長した第２のｎ型導電層（１００５）の厚さ及び第２のｎ型導電層（１００５）のデバイス品質
ｄ）周囲の鏡（１００４）及び粗面処理した表面に対する活性領域（１００６）の位置
ｅ）ｐ型層（１００７）、（１００８）の厚さ、及び
ｆ）透過性を備える導体（１０１０）の厚さ
【００９５】
レーザリフトオフは粗面処理された表面を利用する光キャビティＬＥＤを形成するのに必要ではないが、サファイア基板を取り除くことは、熱抽出及びデバイスの除去された基板側からの電流注入に利点をもたらす。
【００９６】
この例により、建設的な干渉長、発光波長及び構造的特徴が変化するという点において限定されることを意図したものではない。したがって活性領域は、一定の放射波長及び放射方向の建設的な干渉長の光電界の範囲内に最適に配される。
【００９７】
他の例は、粗面処理された表面上で放出物が衝突し表面特性へ侵入することにより最適化される。したがって、光は特性内部で表面から表面へと反射される。これは光がスネルの窓を通過して漏れる角度になるまで続く。
【００９８】
他の例は、光マイクロキャビティ効果を用いて導波モードを排他的に抽出することにより、特に光モード濃度の自由空間を再配列させて導波モードを抽出することにより最適化される。したがって、抽出モードは抽出表面に垂直に方向付けられる。尚、この抽出表面は、平面基板の垂線及びそれに続く層の垂線の軸外にある。この配置において、垂直抽出モードは必要とされず、導波モード或いは単一導波モードのみがこのデバイスに最適であるとされる。
【００９９】
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態の構造図及びバンド図は、図１２及び１３それぞれに示される。
【０１００】
ＧＥＭＭ（１２０４）は、様々な形状の光共振器半導体発光素子に利用可能である。第４の実施形態において、ＧＥＭＭ（１２０４）はその高反射性のバルク特性により厚みを有するように成長するので、ＧＥＭＭ（１２０４）はバルク反射特性を呈する。第４の実施形態は、平面状のＩＩＩ族窒化物材料成長テンプレートを利用する。このテンプレートは、デバイス品質のサファイア基板（１２０１）、i-GaNバッファ層（１２０２）及びn-GaN層（１２０３）からなる。そのため、ＧＥＭＭ（１２０４）の結晶品質は、平面状で、正反射性であり、またデバイス品質に平面状で正反射性の特性を与える。ＧＥＭＭ（１２０４）はn-GaN層（１２０３）に格子整合するので、所望の厚さを備える部分はエピタキシャルの臨界厚さ以下となる。
【０１０１】
２μｍのi-GaNバッファ層（１２０２）及び２μｍのn-GaN層（１２０３）がサファイア基板（１２０１）上で一旦成長すると、ＧＥＭＭ（１２０４）は、厚さ（１５０ｎｍ或いはそれ以上）にまで成長する。この厚さは、光子を利用する共振キャビティに最適な厚さである。この層は臨界厚さ以下に保つことが好ましい。一旦ＧＥＭＭ（１２０４）がテンプレート上で成長すると、第２のn-GaN層（１２０５）は光キャビティ（１０１２）の効果に最適な特定の厚さ（１２６０Åまで）に成長する。この場合、図１３に示される通り、活性領域（１２０６）の中心は、幅０．２５λ/NGaNの範囲内の光電界（１３０１）の極大（１３０２）内部に配される。（NGaNは屈折率であり、λは真空中における発光波長である。）
【０１０２】
光結晶を利用した共振キャビティＬＥＤは波長スケール二次元周期構造（１２１３）を備える。このＬＥＤは、以下の様々な要素を調節することにより、デバイスの性能を増強させる。要素はすなわち、ＧＥＭＭ（１２０４）の位置、回折格子深さ、回折格子間隔、回折格子穴の幅及び回折格子曲線因子等である。これらの要素は導波モード（１３０３）を以下のことにより操作するよう構成される。すなわち、モードの形成を抑制する、回折を介して導波モードを抽出する、或いは導波モードを反射を介し集中させ、光リサイクルを増加させることにより、或いはこれら３つの構造の様々な組み合わせにより導波モードを操作するよう構成される。
【０１０３】
この第４の実施形態において、光結晶（１２１４）を用いて導波モード（１３０３）を抽出する例（図１３ｂ参照）がもたらされる。
【０１０４】
光結晶構造は図１２、図１３ａ及び図１３ｂにおいて縮尺通りに図示されていない。特徴は表現上のもののみであることを意味する。
【０１０５】
第４の実施形態において、光結晶（１２１４）を利用したＲＣＬＥＤは、約２６００Åのキャビティ長（１２１３）（マイクロキャビティ領域の範囲内）で５００ｎｍの光を放出する。活性領域（１２０６）内で発生した光は、厚みを備えるＧＥＭＭ（１２０４）及びp-GaN層と透過性を備えるコンタクト部の界面の接合部分（１２１５）の間で共振する。キャビティは、鏡（１２０４）、（１２１５）が間隔を空けて配されているため、活性領域（１２０６）によって発生した光は鏡間で共振する。鏡（１２０４）、（１２１５）は間隔を空けて配されるので、半波長の整数に活性領域（１２０６）により発生した光の波長の４分の１を加えたものが、窒化物材料内の鏡（１２０４）、（１２１５）間で適合する。活性領域（１２０６）は鏡間に配されるので、発生した光は反射光を建設的に干渉する。共振光は、デバイスの透過性を備えるコンタクト部（１２１０）側から出射する。
【０１０６】
図１３ｂに示す通り、導波モードは放射面から垂直に回折されやすい。
【０１０７】
以下は、本実施形態に考慮すべき要因である。
ａ）デバイス品質及び平面状の第１のｎ型GaN層テンプレート（１２０３）或いはi-GaNバッファ層（１２０２）テンプレート
ｂ）第１のｎ型GaN層（１２０３）上で成長したＧＥＭＭの層（１２０４）の厚さ、平面度、鏡面反射率
ｃ）デバイス品質であるＧＥＭＭ（１２０４）上で成長した第２のｎ型導電層（１２０５）の厚さ
ｄ）周囲の鏡（１２０４）、半導体接合面（１２１５）及び光結晶（１２１４）に対する活性領域（１２０６）の位置
ｅ）ｐ型導電層（１２０７）、（１２０８）の厚さ、及び
ｆ）光結晶（１２１４）中の正孔（１２１２）の深さ及び構造
【０１０８】
ＭＣＬＥＤの形成にレーザリフトオフは必要でないが、サファイア基板を取り除くことは、熱抽出及びデバイスの除去された基板側からの電流注入に利点をもたらす。
【０１０９】
この例はキャビティ長、光結晶格子及び放射波長を制限するものではなく、これらは様々な構造であってよい。したがって活性領域は、キャビティの抽出モード及び１組の光結晶の抽出モード内にある波腹の中心に、或いは波腹の中心近くに配される。
【０１１０】
図１２に示された構造体の変更形態の一例は、透過性を備えるコンタクト部（１２１０）からなる。このコンタクト部（１２１０）は、ＧＥＭＭ層（１２０４）が約２０ｎｍの厚さへ減少するにつれ、厚み（１５０ｎｍ以上）を備える反射金属鏡と置換される。さらに、キャビティ厚み（１２１３）を調節し、両金属鏡を節点近くへ配するようにすると、活性領域は波腹に或いは波腹近くに留まる。また、発生した導波光が垂直モードに回折され、或いは導波モードが抑制されるように光結晶は設計される。この構造は、ＭＣＬＥＤが厚みを備える反射金属鏡のデバイス側に光結晶を有することを可能にする。
【０１１１】
光結晶を構成するp-GaN層中の正孔は、図示される層中に均一に配されていないが、これは光結晶構造をより均一に作ることが出来ないということではない。図示される通り、光結晶の構造には様々なものがある。
【０１１２】
＜第５、第６、第７及び第８の実施形態＞
第５、第６、第７及び第８の実施形態は第１、第２、第３及び第４の実施形態とそれぞれ同様のものである。第５、第６、第７及び第８の実施形態は、エピタキシャル構造において、前述の実施形態とは異なる順になっている。一般に、ｎ型層は、前述の実施形態で説明したようにｐ型層より先に成長する。第５、第６、第７及び第８の実施形態のドープされたエピタキシャル層及び活性領域は逆の順に成長し、以下の表１に要約される。
第５、第６、第７及び第８の実施形態の一般的なエピタキシャルの順を明確化すると以下の様になる。すなわち、サファイア／i-GaN／ＧＥＭＭ／p-GaN／p-AlGaN／活性領域／n-GaNの順である。エピタキシャル構造の例は表１に要約される。
【０１１３】
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【０１１４】
第５の実施形態において、処理作業は第１実施形態と同じであるが、反射性を備えるオーム接触がn-GaN層に蒸着されている。
【０１１５】
第６、第７及び第８の実施形態において、処理作業（図１５から図１７）は第２、第３、及び第４実施形態と同じであるが、ｎ末端部及びｐ末端部が他の代わりに置き換えられる。
【０１１６】
活性領域の中心を、一定量の放射を行うよう設計された光モードの波腹に或いは波腹近くに配する重要な点は、前述の実施形態で述べた通り、これらの要約された実施形態に適用される。
【０１１７】
＜エピタキシ及び処理＞
＜一般的なエピタキシ成長及び第１、第２、第３及び第４の実施形態＞
例として、図５は、第１、第２、第３及び第４実施形態のための一般塩基エピタキシャル構造内部に含まれるエピタキシャル層の配列を示す。物質層は、有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、ハイドライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、物理的気相成長法（ＰＶＤ）等を用いて成長する。これらは、単一の手段、或いは組み合わせ、及び／又はその変化形であってもよい。これらの層を生成する成長条件は用いる道具の影響を受ける。いくつかの実施形態においては、エピタキシャル構造は以下を含む。
【０１１８】
（１）サファイア基板（５０１）上でのエピタキシャル物質の成長
基板（５０１）上に形成される連続するエピタキシャル層（５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０８）の品質は、基板（５０１）の方向、表面粗度及び／又は表面処理に依存するものである。
【０１１９】
（２）元々ドープされたGaNバッファ層（５０２）
この層は元々ドープされたGaNバッファ層で、約２μｍの厚みを有する。層（５０２）上に形成された連続するエピタキシャル層（５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０８）の品質は、この基盤（５０１）上に形成された場合の初期成長条件に依存する。
【０１２０】
（３）ドープされたｎ型GaN層（５０３）
層は２μｍのSiドープGaNであり、処理が行われた発光体内でＧＥＭＭ層（５０４）に電気伝導するｎ型層として機能する。電化担体の密度は、１立方センチメートルあたり１０＾１８の約５倍である。オーム接触を最適化するために、ＧＥＭＭ（５０４）界面上方近くのこの層のドーピングを増減させてもよい。この層の上部に形成される連続するエピタキシャル層の品質は、この層の厚さに依存する。
【０１２１】
（４）ＧＥＭＭ層（５０４）
この層の結晶品質は、前の層（５０２）、（５０３）及び基板（５０１）の成長条件及び結晶品質に依存する。
ＧＥＭＭ層（５０４）は、高融点金属及び／又は金属化合物からなる。金属化合物とは例えば、ＩＶＢ族金属（Zr, Hf等（HfxZr1-x））、二ホウ化遷移金属（ZrB2, HfB2, YB2等（HfxZryYzB2,この時x+y+z=1である））及び遷移金属窒化物（ZrN, HfN, TiN等（HfxZryYzN，この時x+y+z=1である））等である。
さらなる例として、第１及び第５の実施形態で用いられる薄いＧＥＭＭ（５０４）、（６０４）は、約２０ｎｍの厚みを有し、部分的に透過性及び反射性を備え、また吸光性は弱い。
第２、第３、第４及び第６、第７、第８の実施形態で用いられる厚みを備えたＧＥＭＭ（５０４）、（８０４）、（１００４）、（１２０４）は約１５０ｎｍよりも大きい厚みを有し、バルク反射特性を呈する。
ＧＥＭＭの厚みは結晶緩和臨界厚さの以下でエピタキシャルに成長する。
第２（図８及び図９参照）及び第６、第３（図１０及び図１１参照）及び第７、及び第４（図１２及び図１３参照）及び第８の実施形態において、デバイスは生成された光がデバイスを介して伝播するようサファイア基板から離れて設計される。すなわち、ＧＥＭＭ（５０４）、（８０４）、（１００４）、（１２０４）の厚みは、ＧＥＭＭ（５０４）、（８０４）、（１００４）、（１２０４）を通過する光を全く反射させないほどの十分な厚さである。
ＧＥＭＭ（５０４）の構成は、この層（５０４）が上下で層に格子整合しているものである。ＧＥＭＭ（５０４）は臨界厚さ以下になり得る。ここで、臨界厚さとは、格子不整合、構成、及び厚みに起因する組立の歪みが物質内に異常を形成することにより緩和される厚みのことである。
【０１２２】
（５）ドープされた薄いｎ型層（５０５）
SiドープGaNは発光体内のｎ型層として機能する。また、ドープされた薄いｎ型層（５０５）は、光キャビティの片面であり、単一鏡或いは二つの鏡を備える。層の厚さは、活性領域（５０６）が連続的な光波（光電界の最大点）の波腹に、或いは光波の波腹近くに配された厚みである。電化担体の密度は、１立方センチメートルあたり１０＾１８の約５倍である。下方の層の界面近くにあるこの層は、オーム接触を最適化するためにドーピング厚さが増減される。
【０１２３】
（６）発光体（５０６）の活性領域
活性領域は４つのInGaN量子井戸（厚さ３ｎｍ）からなり、非ドープGaNバリア層（厚さ６ｎｍ）により分断される。量子井戸インジウム組成を選択し、窒化物波長帯の範囲内で任意の波長で光を放射させてもよい。量子井戸の様々な厚みや組成、及びバリアの厚みは成長する。これは、活性領域が、連続的な光波の波腹に、或いは波腹近くに局在する限り続く。活性領域（５０６）をキャビティの波腹に或いは波腹近くに配する場合の活性領域（５０６）の厚みは、λ／（４Ｎ）未満である。この時λは、活性領域において作り出される真空中の光の波長であり、Ｎは、ＩＩＩ族窒化物材料の屈折率である。
【０１２４】
（７）ドープされたｐ型AlGaN層（５０７）
このマグネシウムをドープしたAlGaN層（５０７）は約１９ｎｍの厚さを有し、また電子ブロッキング層であってもよい。この層はより厚くてもより薄くてもよいし、或いは除外してもよい。
【０１２５】
（８）ドープされたｐ型GaN層（５０８）
このマグネシウムをドープしたGaN層（５０８）は、発光体の電気コンタクト部（６１０）、（８１０）、（１０１０）、（１２１０）のｐ型層として機能する。第３の実施形態において（図１０及び図１１参照）、この層（５０８）、（１００８）は、このような成長条件を用いて成長するので、表面の粗さが意図的に増強される。
【０１２６】
＜第５、第６、第７及び第８の実施形態の一般的なエピタキシ成長＞
第５、第６、第７及び第８の実施形態のエピタキシャル処理は、前述の実施形態と同様である。この構造体は表１に表される。
これらの実施形態において、活性領域内でのMgの混入の可能性を削減することが望まれる。これは、p-GaN層及びp-AlGaN層を、残りの半導体成長とは別のチャンバ内で成長させることにより削減可能である。
【０１２７】
＜第１の実施形態の処理工程＞
図１４は、ＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤを加工するための例示的な処理工程を示すフローチャートである。ＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤは、図６のエピタキシャル構造から生じるものである。デバイスは、光が透明な基板（５０１）、（６０１）から出射するように作動する。フローチャートは、基底構造として、図５のエピタキシャル構造から始まる。
【０１２８】
ブロック（１４０１）はp-GaN層（５０８）、（６０８）及び／又はp-AlGaN層（５０７）、（６０７）の活性化の工程を示す。この工程は、Mgドープ層の活性化を含む。この活性化はp-GaN層（５０８）、（６０８）及び／又はp-AlGaN層（５０７）、（６０７）の抵抗力を熱的に削減するものである。サンプルはＯ２及びＮ２の大気中で、１０分間７１０度にまで熱せられる。
【０１２９】
ブロック（１４０２）はメサ形成及びn-GaN層（５０３）、（６０３）／薄いＧＥＭＭ（５０４）、（６０４）のコンタクトエッチング工程を示す。メサはフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされ、個々のデバイスを分離する。コンタクト部はメサ上でフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされn-GaN層（５０３）、（６０３）或いはエピタキシャル金属（５０４）、（６０４）を露出させる。これにより、電気端子（６０９）が後に蒸着される。サンプルは塩素雰囲気でエッチングされる。他のエッチング技術が用いられてもよい。
【０１３０】
ブロック（１４０３）は、メサ上面におけるｐコンタクト末端部蒸着の工程を示す。銀鏡（６１０）は電子ビーム蒸着により蒸着され、ｐ型GaN層（５０８）、（６０８）への電気コンタクト部として機能する。ｐドープGaN層とよく接着し、高反射性を備える金属鏡として機能する任意の材料が用いられてもよい。他の金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１３１】
ブロック（１４０４）は、n-GaN層及び／又は薄いＧＥＭＭ上面部におけるｎコンタクト末端部蒸着の工程を示す。ｎドープGaN層（５０３）、（６０３）及び／又は薄いＧＥＭＭ（５０４)、(６０４)の電気コンタクト部は、フォトリソグラフィにより明らかとなり、そして電子ビーム蒸着によりn-GaN層（５０３）、（６０３）及び／又は薄いＧＥＭＭ（５０４）、（６０４）上に蒸着される。コンタクト部は通常、Ti/Al/Ni/Au（６０９）からなる。リング形状のコンタクト部がデバイスへの電気的注入を最大化させるために用いられてもよい。その他の金属及び金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１３２】
ブロック（１４０５）は化学的機械的研磨工程を示す。透明な基板（５０１）、（６０１）の裏側は、この時点で薄くされている。これはより優れた熱抽出及びダイ分割の容易性を得るためである。
【０１３３】
ブロック（１４０６）はダイ分割の工程を示す。ダイ分割は、スクライブ＆ブレーク工程、レーザ分離或いは切断工程により行われる。
【０１３４】
＜第２の実施形態の処理工程＞
図１５は、ＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤを加工するための例示的な処理工程を示すフローチャートである。ＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤは、図８のエピタキシャル構造から生じるものである。デバイスは、光が透明なコンタクト部（８１０）から出るように作動する。フローチャートは、基底構造として、図５のエピタキシャル構造から始まる。
【０１３５】
ブロック（１５０１）はp-GaN層（５０８）、（８０８）及び／又はp-AlGaN層（５０７）、（８０７）の活性化の工程を示す。この工程は、Mgドープ層の活性化を含む。この活性化はp-GaN層（５０８）、（８０８）及びｐ型AlGaN層（５０７）、（８０７）の抵抗力を熱的に削減するものである。サンプルは、O2及びN2の大気中で、１０分間７１０度にまで熱せられる。
【０１３６】
ブロック（１５０２）はメサ形成及びn-GaN層（５０３）、（８０３）／ＧＥＭＭコンタクト部（５０４）、（８０４）のエッチング工程を示す。メサはフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされ、個々のデバイスを分離する。コンタクトはメサ上でフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされn-GaN層（５０３）、（８０３）或いはＧＥＭＭ層（５０４）、（８０４）を露出させる。これにより、電気端子が後に蒸着される。サンプルは塩素雰囲気でエッチングされてもよい。他のエッチング技術が用いられてもよい。
【０１３７】
ブロック（１５０３）は、メサ上面におけるｐコンタクト部蒸着の工程を示す。Ni/Au,ITO或いはその他の任意の透明なオーム接触は、電子ビーム蒸着により蒸着され、ｐ型GaN層（５０８）、（８０８）への電気コンタクト部として機能する。p-GaN層（５０８）、（８０８）の上部界面は、キャビティの片面として機能する。その他の金属及び金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１３８】
ブロック（１５０４）は、透明なｐ型オーム接触（８１０）上面部におけるｐコンタクト末端蒸着の工程を示す。そして、ｐ型電極（８１１）は透過性を備える導電層（８１０）の片側に形成される。ｐ型電極（８１１）は例えば、Ni/Au, Pd/Au, Pd/Ni及びPt等の材料から作られてもよい。
【０１３９】
ブロック（１５０５）は、n-GaN層（５０３）、（８０３）或いは（５０５）、（８０５）及び／又はＧＥＭＭ（５０４）、（８０４）上面部におけるｎコンタクト末端蒸着の工程を示す。電気コンタクト部は、フォトリソグラフィにより明らかとなり、そして電子ビーム蒸着により蒸着される。コンタクトは通常、Ti/Al/Ni/Au（６０９）からなる。リング形状のコンタクトは、デバイスへの電気的注入を最大化させるために用いられてもよい。その他の金属及び金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１４０】
ブロック（１５０６）は化学的機械的研磨工程を示す。透明な基板の裏側は、この時点で薄くされている。これはより優れた熱抽出及びダイ分割の容易性を得るためである。
【０１４１】
ブロック（１５０７）はダイ分割の工程を示す。ダイ分割は、スクライブ＆ブレーク工程、レーザ分離或いは切断工程により行われる。
【０１４２】
＜第３の実施形態の処理工程＞
図１６は、粗面を利用したＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤを加工するための例示的な処理工程を示すフローチャートである。ＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤは、図１０のエピタキシャル構造から生じるものである。デバイスは、光が透明なコンタクト部（１０１０）から出射するように作動する。フローチャートは、基底構造として、図５のエピタキシャル構造から始まる。
【０１４３】
ブロック（１６０１）はp-GaN層（５０８）、（１００８）の粗面処理を示す。p-GaN層（５０８）、（１００８）の粗面処理は、以下に示す様々な技術を用いてなされる。
ａ）p-GaN層（５０８）、（１００８）が成長する間、成長窓の気温をより低く保つこと
ｂ）フォトリソグラフィを用いた或いは用いない電気化学的なエッチング
ｃ）フォトリソグラフィを用いた或いは用いない化学的エッチング
ｄ）フォトリソグラフィを用いた或いは用いないイオンエッチング
【０１４４】
ブロック（１６０２）はp-GaN層（５０８）、（１００８）及び／又はp-AlGaN層（５０７）、（１００７）の活性化の工程を示す。この工程は、Mgドープ層の活性化を含む。この活性化はp-GaN層（５０８）、（１００８）及びｐ型AlGaN層（５０７）、（１００７）の抵抗力を熱的に削減するものである。サンプルは、O2及びN2の大気中で、１０分間７１０度にまで熱せられる。
【０１４５】
ブロック（１６０３）はメサ形成及びn-GaN層（５０３）、（１００３）／厚みを備えたＧＥＭＭコンタクト部（５０４）、（１００４）のエッチング工程を示す。メサはフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされ、個々のデバイスを分離する。コンタクト部はメサ上でフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされn-GaN層（５０３）、（１００３）及び／又はＧＥＭＭ（５０４）、（１００４）を露出させる。これにより、電気端子が後に蒸着される。サンプルは塩素雰囲気でエッチングされてもよい。他のエッチング技術が用いられてもよい。
【０１４６】
ブロック（１６０４）は、メサ上面におけるｐコンタクト末端部蒸着の工程を示す。Ni/Au, ITO或いはその他の任意の透明なオーム接触は、電子ビーム蒸着により蒸着され、ｐ型GaN層（５０８）、（１００８）への電気コンタクト部として機能する。p-GaN層（５０８）、（１００８）の下部界面は、キャビティの片面として機能する。その他の金属及び金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１４７】
ブロック（１６０５）は、透明なｐ型オーム接触（１０１０）上面部におけるｐコンタクト末端部蒸着の工程を示す。そして、ｐ型電極（１０１１）は透過性を備える導電層（１０１０）の片側に形成される。ｐ型電極（１０１１）は例えば、Ni/Au, Pd/Au, Pd/Ni及びPt等の材料から作られてもよい。
【０１４８】
ブロック（１６０６）は、下部n-GaN層（５０３）、（１００３）及び／又は厚みを備えるＧＥＭＭ（５０４）、（１００４）及び／又は上部n-GaN層（５０５）、（１００５）上面部におけるｎコンタクト末端蒸着の工程を示す。電気コンタクト部（１００９）は、フォトリソグラフィにより明らかとなり、そして電子ビーム蒸着により蒸着される。コンタクト部は通常、Ti/Al/Ni/Au（６０９）からなる。リング形状のコンタクト部がデバイスへの電気的注入を最大化させるために用いられてもよい。その他の金属及び金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１４９】
ブロック（１６０７）は化学的機械的研磨工程を示す。透明な基板の裏側は、この時点で薄くされている。これはより優れた熱抽出及びダイ分割の容易性を得るためである。
【０１５０】
ブロック（１６０８）はダイ分割の工程を示す。ダイ分割は、スクライブ＆ブレーク工程、レーザ分離或いは切断工程により行われる。
【０１５１】
＜第４の実施形態の処理工程＞
図１７は、光結晶（１２１４）を利用したＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤを加工するための例示的な処理工程を示すフローチャートである。ＭＣＬＥＤ或いはＲＣＬＥＤは、図１２のエピタキシャル構造から生じるものである。図１２に示されるように、デバイスは光が透明なコンタクト部（１２１０）／光結晶（１２１４）から出射するように作動する。フローチャートは、基底構造として、図５のエピタキシャル構造から始まる。
【０１５２】
ブロック（１７０１）はp-GaN層（５０８）、（１２０８）及び／又はp-AlGaN層（５０７）、（１２０７）の活性化の工程を示す。この工程は、Mgドープ層の活性化を含む。この活性化はp-GaN層（５０８）、（１２０８）及びｐ型AlGaN層（５０７）、（１２０７）の抵抗力を熱的に削減するものである。サンプルは、O2及びN2の大気中で、１０分間７１０度にまで熱せられる。
【０１５３】
ブロック（１７０２）は、メサ上面におけるｐコンタクト末端部蒸着の工程を示す。Ni/Au, ITO或いはその他の任意の透明なオーム接触は、電子ビーム蒸着により蒸着され、ｐ型GaN層への電気コンタクト部として機能する。その他の金属及び金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１５４】
ブロック（１７０３）はメサ形成及びn-GaN層（５０３）、（１２０３）／ＧＥＭＭコンタクト部（５０４）、（１２０４）のエッチング工程を示す。メサはフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされ、個々のデバイスを分離する。コンタクト部はメサ上でフォトリソグラフィによりパターン化され、そして反応性イオンエッチングによりエッチングされn-GaN層（５０３）、（１２０３）或いは厚みを備えるＧＥＭＭ（５０４）、（１２０４）を露出させる。これにより、電気端子が後に蒸着される。サンプルは塩素雰囲気でエッチングされてもよい。他のエッチング技術が用いられてもよい。
【０１５５】
ブロック（１７０４）は、p-GaN層（１２０８）の正孔（１２１２）のエッチングを示す。ｐ型層（１２０７）、（１２０８）のエッチングは、以下に示す様々な技術を用いてなされる。
ａ）フォトリソグラフィを用いた電気化学的なエッチング
ｂ）フォトリソグラフィを用いた化学的エッチング
ｃ）フォトリソグラフィを用いたイオンエッチング
ｄ）収束イオンビーム
【０１５６】
ブロック（１７０５）は、透明なｐ型オーム接触（１２１０）上面部におけるｐコンタクト末端部蒸着の工程を示す。そして、ｐ型電極（１２１１）は透過性を備える導電層（１２１０）の片側に形成される。ｐ型電極（１２１１）は例えば、Ni/Au, Pd/Au, Pd/Ni及びPt等の材料から作られてもよい。
【０１５７】
ブロック（１７０６）は、n-GaN層（５０３）、（１２０３）或いは（５０５）、（１２０５）及び／又は厚みを有するＧＥＭＭ（５０４）、（１２０４）上面部におけるｎコンタクト末端部蒸着の工程を示す。電気コンタクト部は、フォトリソグラフィにより明らかとなり、そして電子ビーム蒸着により蒸着される。コンタクト部は通常、Ti/Al/Ni/Auからなる。リング形状のコンタクト部がデバイスへの電気的注入を最大化させるために用いられてもよい。その他の金属及び金属蒸着技術が用いられてもよい。
【０１５８】
ブロック（１７０７）は化学的機械的研磨工程を示す。透明な基板の裏側は、この時点で薄くされている。これはより優れた熱抽出及びダイ分割の容易性を得るためである。
【０１５９】
ブロック（１７０８）はダイ分割の工程を示す。ダイ分割は、スクライブ＆ブレーク工程、レーザ分離或いは切断工程により行われる。
【０１６０】
この実施形態中の厚みを備えたＧＥＭＭ（５０４）、（１２０４）は約１５０ｎｍよりも大きい厚みを有し、バルク反射特性を呈する。ＧＥＭＭの厚みは、結晶緩和臨界厚さ以下でエピタキシャルに成長する。
【０１６１】
＜第５、第６、第７及び第８実施形態の処理工程＞
第５、第６、第７及び第８実施形態における例示的な処理工程は、前述の第１、第２、第３及び第４実施形態とそれぞれ同様である。エピタキシャル構造は表１に示される。
【０１６２】
明確化のため、第５の実施形態においては、新しいn-GaN層コンタクトは、高反射性を備える金属物質から作られ、必要なオーム操作をもたらす。
【０１６３】
第６、第７及び第８実施形態において、透過性を備えるコンタクト部は必要とされない。なぜならn-GaN層自身が十分な導電性を備えるため、電流を拡散する層は必要とされない。このさらなる導電性を備えるn-GaN層は、光を出射する層をエッチング及びフォトリソグラフィ技術によって簡単に変形させることができる。したがって、特性はより優れた光抽出を行うために形成される。
【０１６４】
等業者は変化し得る様々な処理の選択肢があることを理解している。処理において重要な点は、成長構造と光キャビティ操作が実行可能となるように工程を進めることである。
【０１６５】
＜可能な変形及び変化形＞
Ａ）代替的な実施形態において、エピタキシャル結晶は他の基板（５０１）及び（６０１）、（５０１）及び（８０１）、（５０１）及び（１００１）、（５０１）及び（１２０１）上で成長する。その基板とは例えば、SiC, GaN, ZnO, MgO, ガラス、Si, GaAs, AlN, LiGaO2, LiAlO2, NdGaO3, ScAlMgO4, Ca8La2(PO4)6O2である。基板が不透明である場合、デバイス操作中に基板は光を出射させるため取り除かれる。
Ｂ）代替的な実施形態において、ＩＩＩ型窒素バッファ層（５０２）及び（６０２）、（５０２）及び（８０２）、（５０２）及び（１００２）、（５０２）及び（１２０２）は２μｍより厚い或いは薄くてもよく、或いは電子キャリアを形成するためにドープされてもよい。
Ｃ）代替的な実施形態において、第１の蒸着ドープ層（５０３）及び（６０３），（５０３）及び（８０３）、（５０３）及び（１００３）、（５０３）及び（１２０３）は、ＧＥＭＭ（５０４）及び（６０４）、（５０４）及び（８０４）、（５０４）及び（１００４）、（５０４）及び（１２０４）が電流をデバイスへ流し続け、電気端子がＧＥＭＭ（５０４）及び（６０４）、（５０４）及び（８０４）、（５０４）及び（１００４）、（５０４）及び（１２０４）に接続されている場合、省略してもよい（すなわち、バルクＨｆＮは、穏やかにドープされたバルクn-GaNよりも３０倍以下までにより高い導電性を有する）。製造歩留まりを維持するために、エッチング工程（１４０２）、（１５０２）、（１６０３）、（１７０３）の間、この第１のドープされた層を保つことが望まれる。
Ｄ）第１、第２、第３及び第４実施形態において、p-GaN層はトンネル接合及び追加のn-GaN層を備えてもよく、新しいn-GaN層はＬＥＤ全域にわたる導電性及び電流の拡散を増加させるように配される。
Ｅ）第１の実施形態或いは第５の実施形態中の基板（不透明或いは透明）を除去して重要なデバイスエピタキシャル構造（部分的に透過性を備え、部分的に反射性を備えるＧＥＭＭ層）／GaN／活性領域／GaN／（非エピタキシャル金属鏡）にアクセスすることは、製造或いはデバイス性能において、別の選択肢となりうる。
Ｆ）ＧＥＭＭ層は、ＧＥＭＭ層及びＤＢＲ間に配された位相整合層を有するエピタキシャルＤＢＲ或いは非エピタキシャルＤＢＲを用い、支援される。
Ｇ）ＧＥＭＭ層の厚さは、説明してきた実施形態中においてさらに厚くても或いはさらに薄くてもよい。これらの厚さを変更し、実施形態と同様の結果を得ることも可能である。厚さを変更する「窓」は、様々な状況において大きくてもよく、大きな変更と見なされるべきではない。これらの実施形態に重要なことは、本明細書において説明したキャビティの効果を操作及び調整することである。
Ｈ）ＧＥＭＭは、デバイスにおいて誘導放出及び光リサイクルを促進させるために用いられてもよい。したがって、これにより、デバイスの量子効率が増加する。
【０１６６】
＜結論＞
当業者は、本明細書に述べられる革新的な概念の精神から逸脱することなく、その他の変更がなされることを理解している。本発明の範囲が実施形態中に図示及び述べられた特定の実施形態に限定されることは意図されない。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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