(57)【要約】  導波光を低減させる低屈折率層を含む発光ダイオードを開示する。発光ダイオードは、少なくとも１つのｎドープ層、少なくとも１つのｐドープ層、および少なくとも１つのｎドープ層と少なくとも１つのｐドープ層との間に配置された活性領域を含む。活性領域は発光材料を含む。発光ダイオードはさらに、活性領域内またはその周囲に配置された少なくとも１つの低屈折率層を含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのｎドープ層と、
少なくとも１つのｐドープ層と、
少なくとも１つの層の発光材料を含み、前記少なくとも１つのｎドープ層と前記少なくとも１つのｐドープ層との間に配置された活性領域と、
該活性領域の１光波長内に配置され、該活性領域による導波光を実質的に低減させるように構成された少なくとも１つの低屈折率層とを含む発光ダイオード。
【請求項２】
前記発光材料から発光される全光のうち１０％未満が前記活性領域によって導光される請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記発光材料から発光される全光のうち２％未満が前記活性領域によって導光される請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
さらなる光抽出機能をさらに含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記さらなる光抽出機能は、前記ＬＥＤを立方体形状、三角形状、正方形状またはピラミッド形状のうち少なくとも１つに整形することを含む請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記さらなる光抽出機能は、前記発光ダイオードの１つ以上の表面に形成された表面粗さが約２００ｎｍ〜約１０ｕｍである請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記ＬＥＤは、第ＩＩＩ族窒化物材料を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記第ＩＩＩ族窒化物材料は、非極性結晶学的配向および半極性結晶学的配向から選択された面配向を特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記基板は、バルク第ＩＩＩ族窒化物材料を含む請求項７に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、非均質な材料組成を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、キャリア閉じ込め層として構成されている請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記活性領域は、総厚が少なくとも１０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記活性領域は、総厚が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、前記活性領域の片側、該活性領域の両側、該活性領域の内部、または前記のうちいずれかの組合せに配置されている請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記活性領域は、２つ以上の量子井戸を含み、該２つ以上の量子井戸間の少なくとも１つの障壁層は、低屈折率材料を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記活性領域を覆うＩｎＧａＮ超格子などの別の層をさらに含み、該超格子の１波長より短い波長内に低屈折率材料層が設けられている請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの低屈折率層は、該発光ダイオードのホスト材料に格子が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、前記活性領域を形成する材料に格子が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの低屈折率層は、該発光ダイオードのホスト材料に分極が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの低屈折率層は、前記活性領域を形成する材料に分極が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記低屈折率層を含む前記活性領域は、平均屈折率がホスト材料の屈折率より０％〜５％だけ高いことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記活性領域は、１つ以上の二重ヘテロ構造層を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
実質的な量の光を発光しない低組成の量子井戸を含むさらなる材料が前記活性領域の上側または下側に堆積している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２４】
前記低組成の量子井戸を包囲する少なくとも１つの層は、低屈折率材料層を形成する請求項２３に記載の発光ダイオード。
【請求項２５】
前記ＬＥＤは、発光波長が約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２６】
前記ＬＥＤは、発光波長が約３９０ｎｍ〜約４３０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２７】
前記ＬＥＤは、発光波長が約４３０ｎｍ〜約４７０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２８】
少なくとも１つの層の発光材料は、別の発光材料層とは異なる材料組成を有する請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２９】
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｎドープ層と、
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｐドープ層と、
ＧａＮの平均屈折率を０．０５より多くは超えない平均屈折率を有することを特徴とするＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子と、
一連の量子井戸または１つ以上の二重ヘテロ構造を含み、総厚が５０ｎｍ未満であることを特徴とする活性領域と、
ＧａＮの屈折率から０．０５を減算した値より低い屈折率の電子ブロッキング層とを含む発光ダイオード。
【請求項３０】
実質的な量の光を発光しない発光量子井戸より低組成である一連のＩｎＧａＮ量子井戸をさらに含み、該ＩｎＧａＮ量子井戸は、前記発光量子井戸の上側または下側に配置されている請求項２９に記載の発光ダイオード。
【請求項３１】
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｎドープ層と、
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｐドープ層と、
前記少なくとも１つのｎドープ層と前記少なくとも１つのｐドープ層との間に配置され、インジウム−ガリウム窒化物ベースの１つ以上の材料層を含む活性領域と、
前記少なくとも１つのｐドープ層と前記活性領域との間、または前記少なくとも１つのｎドープ層と前記活性領域との間に配置され、ガリウム窒化物の屈折率より低い屈折率を有する少なくとも１つの低屈折率材料層とを含む発光ダイオード。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、アルミニウム−インジウム−ガリウム窒化物ベースの材料を含む請求項３１に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項３３】
ガリウム窒化物ベースの材料を含む表面領域を含む基板を用意し、
該基板の前記表面領域へ接続された少なくとも１つのｎドープ層を形成し、該少なくとも１つのｎドープ層はガリウム窒化物ベースの材料を含み、
前記ｎドープ層へ接続された活性領域を形成し、該活性領域は、インジウム−ガリウム窒化物ベースの材料によって形成された１つ以上の層を含み、
前記活性領域へ接続された少なくとも１つのｐドープ層を形成し、該少なくとも１つのｐドープ層はガリウム窒化物ベースの材料を含み、
前記少なくとも１つのｐドープ層と前記活性領域との間、または前記少なくとも１つのｎドープ層と前記活性領域との間に配置された少なくとも１つの低屈折率材料層を形成することを含み、該少なくとも１つの低屈折率層は、ガリウム窒化物の屈折率より低い屈折率を有し、前記低屈折率層は、前記活性領域による導波光を実質的に低減させるように形成されている発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【詳細な説明】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下に米国仮出願第６１／６０７，１８８号（出願日：２０１２年３月６日）の利益の享受を求める。同出願全体を参照により本願に取り込む。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光抽出の分野に関するものであり、より詳細には、発光ダイオードにおける導波光効果を低減させる低屈折率材料層の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光抽出の問題が周知である。ＬＥＤは、高屈折率半導体材料によって構成されている。残念なことに、ＬＥＤによって生成された光は、一部が外部媒体（空気または封入材料）との界面からの全反射に起因して内部反射する。この光を導波光と呼ぶ。導波光の存在は、光抽出を制限するので、ＬＥＤ性能にとって有害となる。導波光の取出しには、様々なアプローチを用いることができる（例えば、ＬＥＤの成形または表面の一部の粗面化）。これらのアプローチの目的は、導波光路を切って光抽出を増大させることである。しかし、従来の技術では、導波光低減ができないため、ＬＥＤからの光抽出を最大限にできていない。
【０００４】
よって、光抽出効率を増加させる（特に、ＬＥＤ内の導波光を低減させる）ための向上した方法が望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
低屈折率層を含み、導波光を低減させる発光ダイオードを開示する。本発光ダイオードは、少なくとも１つのｎドープ層、少なくとも１つのｐドープ層、およびこれら少なくとも１つのｎドープ層と少なくとも１つのｐドープ層との間に配置された活性領域とを含む。活性領域は発光材料を含む。発光ダイオードはさらに、活性領域内またはその周囲に配置された少なくとも１つの低屈折率層を含む。
【０００６】
第１の局面では、次のような発光ダイオードが提供される。すなわち、本発光ダイオードは、少なくとも１つのｎドープ層と、少なくとも１つのｐドープ層と、これら少なくとも１つのｎドープ層と少なくとも１つのｐドープ層との間に配置され少なくとも１つの発光材料層を含む活性領域と、活性領域の１光波長内に配置された少なくとも１つの低屈折率層とを含み、低屈折率層は、活性領域による導波光を実質的に低減させるように構成されている。
【０００７】
第２の局面では、次のような発光ダイオードが提供される。すなわち、本発光ダイオードは、ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｎドープ層と、ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｐドープ層と、ＧａＮの平均屈折率を０．０５より多くは超えない平均屈折率より低い平均屈折率を特徴とするＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子と、一連の量子井戸または１つ以上の二重ヘテロ構造を含む活性領域とを含み、活性領域は、総厚が５０ｎｍ未満である点によって特徴付けられ、発光ダイオードはさらに、ＧａＮの屈折率から０．０５を減算した値よりも低い屈折率の電子ブロッキング層を含む。
【０００８】
第３の局面では、次のような発光ダイオードが提供される。すなわち、本発光ダイオードは、ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｎドープ層と、ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｐドープ層と、これら少なくとも１つのｎドープ層と少なくとも１つのｐドープ層との間に配置されインジウム−ガリウム窒化物ベースの材料によって形成された１つ以上の層を含む活性領域と、これら少なくとも１つのｐドープ層と活性領域との間または少なくとも１つのｎドープ層と活性領域との間に配置された少なくとも１つの低屈折率材料層とを含み、少なくとも１つの低屈折率材料層は、ガリウム窒化物の屈折率よりも低い屈折率を有する。
第４の局面では、次のような発光ダイオードの製造方法が提供される。すなわち、この方法は、ガリウム窒化物ベースの材料を含む表面領域を含む基板を提供することと、ガリウム窒化物ベースの材料を含み基板の表面領域へ接続された少なくとも１つのｎドープ層を形成することと、インジウム−ガリウム窒化物ベースの材料によって形成された１つ以上の層を含みｎドープ層へ接続された活性領域を形成することと、ガリウム窒化物ベースの材料を含み活性領域へ接続された少なくとも１つのｐドープ層を形成することと、これら少なくとも１つのｐドープ層と活性領域との間または少なくとも１つのｎドープ層と活性領域との間に配置された少なくとも１つの低屈折率材料層を形成することを含み、少なくとも１つの低屈折率層は、ガリウム窒化物の屈折率よりも低い屈折率を有し、低屈折率層は、活性領域による導波光を実質的に低減させるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＧａＮ基板上に成長させたいくつかの実施形態によるＬＥＤの簡単な図である。
【図２】ｐ型透明電極を有するサファイア基板上に成長させたいくつかの実施形態によるＬＥＤの簡単な図である。
【図３】約４００ｎｍの波長で発光し活性領域内に導波光のあるいくつかの実施形態によるＬＥＤの発光スペクトルおよび吸収スペクトルの実験結果を示す。
【図４】いくつかの実施形態によるＬＥＤの活性領域内を導光する光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す図である。
【図５】いくつかの実施形態による低屈折率層が活性領域をまたぐＬＥＤを示す簡単な図である。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂそれぞれ電子ブロッキング層を有する構造および低屈折率材料層を有する構造のいくつかの実施形態によるＬＥＤにおける導波光モードプロファイルを示す簡単な図である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂそれぞれ電子ブロッキング層を有する構造および低屈折率材料層を有する構造のいくつかの実施形態によるＬＥＤにおける導波光モードプロファイルを示す。両構造についての屈折率プロファイルも示す。
【図８】いくつかの実施形態によるＬＥＤ活性領域内を導光する光の割合を低屈折率材料層中の様々な組成について量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す。電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造のモデル化結果を対照例として示す。
【図９】いくつかの実施形態による様々な厚さの低屈折率材料層について、ＬＥＤ活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す。電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造のモデル化結果を対照例として示す。
【図１０】いくつかの実施形態による様々な組成の量子障壁について、ＬＥＤ活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す。電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造のモデル化結果を対照例として示す。
【図１１】低屈折率材料障壁および低屈折率材料電子障壁層を含むいくつかの実施形態によるＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す。電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造のモデル化結果を対照例として示す。
【図１２】いくつかの実施形態による超格子層を含むＬＥＤ中の導波光モードプロファイルを示す簡単な図である。
【図１３】いくつかの実施形態による超格子層内に配置された低屈折率層を含むＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す。電子障壁層がなく超格子層があるＬＥＤと、電子障壁層も超格子層もないＬＥＤについて活性領域内で導光される光の割合のモデル化した結果も示す。
【図１４】いくつかの実施形態によるＬＥＤの製造方法を示す簡単なフローチャートである。
【図１５】いくつかの実施形態による第ＩＩＩ族窒化物化合物の屈折率の波長の関数としての実験値（１５０２、１５０４、１５０６、および１５０８）および第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの発光スペクトル（１５１０）を示す。
【図１６】いくつかの実施形態による第ＩＩＩ族窒化物化合物の屈折率を波長４１５ｎｍにおけるＩｎまたはＡｌ含有量の関数として示す。
【図１７】いくつかの実施形態による量子井戸活性領域、より低含有量の量子井戸および様々な低屈折率材料層を有する第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの屈折率プロファイルを示す。
【図１８】エピタキシャル構造中の導波光の存在を測定するために用いられる実験装置を示す。
【図１９】図１８に示す実験装置によってＬＥＤファセットにおいて収集された導波光の画像を示す。
【図２０】いくつかの実施形態による二重ヘテロ構造活性領域、より低含有量の量子井戸および様々な低屈折率材料層を有する第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの屈折率プロファイルを示す。
【図２１】４つの量子井戸、超格子および電子ブロッキング層を含む活性領域を有する第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの屈折率プロファイルを他の実施形態との比較のために示す。
【図２２】図２１に示す構造について導波光の割合をＬＥＤ発光波長の関数として示す。
【図２３】本発明の実施形態による導波光の割合をＬＥＤ発光波長の関数として示す。この実施形態は、図２１と類似するが、導波光発光を低減するために低屈折率材料層を有する。
【図２４】低屈折率層のないＬＥＤ（２４０４）のモデル化された抽出効率を、低屈折率層を有するＬＥＤ（２４０２）と比較して量子井戸数の関数として示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書中以下、多様な実施形態について、添付図面を参照しつつより詳細に説明する。図面には、例示的な実施形態が示される。しかし、多様な局面を様々な形態で具現化することが可能であり、このような形態は本明細書に記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。すなわち、これらの実施形態は、本開示のより深い理解のために記載するものであり、発明の範囲を当業者へ詳細に伝えるためのものである。
【００１１】
本開示のいくつかの実施形態は、導波光効果低減のために低屈折率材料（ＬＩＭ）層を有する発光ダイオードを実現する改良したアプローチに関する。より詳細には、本明細書中に開示されるのは、導波光効果低減のためにＬＩＭ層を有する発光ダイオードのための方法およびシステムである。
【００１２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光抽出問題は周知である。ＬＥＤは、高屈折率の半導体材料によって構成される。残念なことに、ＬＥＤ中において発生した光の一部が、全反射に起因して界面から外部媒体（空気またはカプセル材料）によって活性領域内へと反射される。この光を導波光と呼ぶ。これが存在すると、光抽出が制約されるので、ＬＥＤ性能にとって有害である。導波光抽出のために、多様なアプローチを用いることができる（例えば、ＬＥＤの整形、ＬＥＤ表面の粗面化）。これらのアプローチの目的は、導波光路を切って光抽出を増加させることである。しかし、従来の技術の場合、活性領域内での導波光を最小化したり、または無くしたりすることを検討していない。さらに、上記の従来技術を適用しても、ＬＩＭ層を用いて導波光による影響を低減させる発光ダイオード構造は得られない。
【００１３】
図１は、いくつかの実施形態による、ＧａＮ基板上に成長させたＬＥＤ１００の簡単な図である。バルクＧａＮ基板１０１上に成長させたＬＥＤをサブマウント１０２上に載置する。ＧａＮ／空気界面における全反射に起因してＬＥＤ中に導光される光１０３の他に、活性領域１０４により、別の導波光１０５が生ずる。導波光１０５のプロファイルを活性領域１０４の右側に示す。
【００１４】
図１に示すように、ＬＥＤをバルクガリウム窒化物（ＧａＮ）基板１０１上に成長させ、サブマウント１０２上に配置する。サブマウント１０２は、ｐ型電極として機能することができる。光１０６は、活性領域１０４から出射される。いくつかの光路は外部媒体１０７へ抽出され、他の光路１０３はＬＥＤ構造内で導光される。従来の構造で通常は対処できなかった別の導波光経路、すなわちＬＥＤの活性領域１０４内で別の導波光効果１０５が存在し得る。ＬＥＤの活性領域１０４内におけるさらなる導波光効果１０５は、図１のＬＥＤや他の種類のＬＥＤ構成（例えば、図２に示すＬＥＤ）にも当てはまる。ＧａＮは、ＬＥＤの基板材料およびそのホスト材料（すなわち、基板上で成長し、他のＬＥＤ層が埋設されたエピタキシャル層のマトリックスを構成する材料）の両方を構成する。
【００１５】
図２は、いくつかの実施形態による、ｐ型透明電極２０２を備えたサファイア基板２０１上に成長させたＬＥＤ２００の簡単な図である。光２０３は、活性領域２０４によって出射される。いくつかの光路は外部媒体２０５へ抽出され、他はサファイア基板２０６内へ抽出され、他の光路２０７はＬＥＤ内で導光される。ＧａＮ／空気界面における全反射２０５に起因してＬＥＤ内に導光される光の他に、活性領域２０４により、別の導波光２０８が得られる。ＬＥＤのいくつかの実施形態において、活性領域２０４は、ＬＥＤのホスト材料よりも屈折率が高い点を特徴とする発光層を含む。例えば、第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの場合、活性領域は通常、ガリウム窒化物ホスト層上に成長したＩｎＧａＮ量子井戸およびガリウム窒化物量子障壁（ＱＢ）の交互スタックであり、ＩｎＧａＮの屈折率は、ＧａＮよりも高い。いくつかの場合において、量子井戸／量子障壁スタックに代わって、二重ヘテロ構造活性領域を用いることができる。この場合、基板はサファイアであり、ホスト材料はＧａＮである。
【００１６】
量子井戸スタックの組成／数／厚さが十分に大きい場合、活性領域は、１つ以上の導波光モードをサポートすることができる。市販のＬＥＤを多数挙げると、中程度のインジウム組成を活性領域の下側に成長させたＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子またはバルクＩｎＧａＮ層がある。この層が有る場合、望ましくない導波光に、および／または活性領域に起因する導波光効果の増大につながり得る。
【００１７】
本明細書中において用いられるような「導波光モード」という用語は、通常のバルク（例えば、活性領域以外の領域）内導波光よりむしろ、ＬＥＤの活性領域内における導波光（ＧＬＡＲ）と活性領域の付近における導波光を指す。活性領域内導波光（ＧＬＡＲ）の運命は、非ＧＬＡＲ導波光の運命と異なる。非ＧＬＡＲ導波光は、外部媒体の様々な界面に入射し、したがってこれらの界面の整形状態または面状態が光抽出の向上に繋がり得る。一方、ＧＬＡＲは、活性領域の付近のみに限定され、この層上を横方向にしか伝播できない。そのため、光抽出を向上させる従来の技術の場合、実質的にＧＬＡＲに影響を与えることはない。
【００１８】
一般にＧＬＡＲは、高屈折率層（例えば、発光層）と周囲の低屈折率の層との間の屈折率の違いに起因して発生する。低屈折率層は、いわゆるホスト材料（すなわち、基板上に成長し他の様々なＬＥＤ層が埋め込まれた材料マトリックス）を含むことがある。例えば、ホスト材料は、バルクＧａＮＬＥＤおよびサファイア基板上ＧａＮＬＥＤの双方ともＧａＮである。高屈折率層は、発光層と、他の層（例えば、活性領域の付近の超格子）とを含むことがある。ＧＬＡＲの特徴は、ホスト材料またはいくつかの他の低屈折率層中でエバネセント性であるが、いくつかの高屈折率層中では伝播することであるとも言える。
【００１９】
伝播時において、ＧＬＡＲは、活性領域によって再吸収され、または他の層（例えば、損失性接触）によって吸収され得る。活性領域による再吸収の場合、発生したキャリア対は光としてさらに再発光し得るため、複数の吸収−発光サイクルを生じることができる。このような多吸収−発光プロセスが生じた場合、活性領域の内部量子効率が１を下回るため、単一の吸収−発光サイクルよりも効率が低下する。
【００２０】
図３は、いくつかの実施形態による、波長約４００ｎｍで発光し活性領域内に導波光があるＬＥＤの発光スペクトルおよび吸収スペクトルの実験結果を示す。点線は、波長がこれを下回ると吸収率が約０．０２μｍ−１を超えることを示す。本記載においてこの値を選んだ理由として、この値が光吸収長５０μｍに対応する点があり、これはＬＥＤの横方向長さと比較して短い長さである。そのため、対応する波長における導波光は、ＬＥＤ内で横方向にある程度の距離を伝播できないうちに、活性領域によって再吸収されてしまう。導波光モードがサポートされれば、活性領域の総自然発光の大部分を担うことができる。
【００２１】
図４は、いくつかの実施形態による、ＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す図である。このモデル化では、ＧａＮとＩｎＧａＮとの間に０．２の屈折率段差が用いられている。この値は、当該分野において公知のように、現実的な値である。図４に示すように、８個を超える量子井戸を用いる場合、合計で２０％までの出射光が導光される。量子井戸が多数有る場合、ＧＬＡＲの一部が漸近値２５％を超える。そのため、ＬＥＤの合計出力の有意な部分をＧＬＡＲとして出射することができ、最終的に吸収されて失われるため、ＬＥＤ性能が低下する。そのため、ＧＬＡＲを回避するか、または合計出射光の５％未満を示すＧＬＡＲ値にその大きさを制限することが望ましい。
【００２２】
ここで、ＬＩＭ層を用いて、ＬＥＤ内の活性領域内に導光される光の割合を低減する方法についてさらに説明する。いくつかの市販のＬＥＤとして、ＡｌＧａＮ層がある。ＡｌＧａＮ層は、低屈折率が特徴であり、活性領域を覆うように形成された電子ブロッキング層として機能する。しかし、電子ブロッキング層の厚さおよび屈折率は、ＧＬＡＲ量を低減するのに実質的に不十分である場合がある。ＧＬＡＲを実質的に低減できるようにするために、低屈折率材料の配置、厚さおよび組成を以下に述べるように選択する必要がある。
【００２３】
図５は、いくつかの実施形態によるＬＥＤを示す簡単な図であり、このＬＥＤは、活性領域５０６のいずれの側にも低屈折率層５０８を有している。バルクＧａＮ基板およびｎ−ＧａＮ層５０２上に成長させたＬＥＤは、ｐ−ＧａＮ層５０４がサブマウント５０３に載るようにして載置され、活性領域５０６の両側に低屈折率材料層５０８を２層含んでいる。低屈折率材料層５０８の存在により、活性領域５０６内で導光される光の割合が低減する。活性領域５０６から出射される光５０９については、外部媒体５０７へ伝播する光およびＬＥＤのホスト材料５０５内で導光される光などの他の光路が存在し得る。このＬＥＤに従来の光抽出機能を付加して、このような形態の光の抽出を助けてもよい。例えば、ＬＥＤデバイスは、立方体形状、三角形状、正方形状またはピラミッド形状に整形することができる。図示のように、低屈折率層５０８の存在により、活性領域内における導波光モード５１０が最小化または回避される。
【００２４】
いくつかの実施形態において、低屈折率材料層は、活性領域上に設けられる。低屈折率材料層は、十分に肉厚であり、屈折率は十分に低いため、活性領域から離れるにつれて導波光モードの波動関数が分散し、導波光モード内における発光／伝播が低減または抑制される。特定の実施形態によれば、低屈折率材料の屈折率は、ＧａＮの屈折率より低い。
【００２５】
図６Ａおよび図６Ｂは、従来の電子ブロッキング層を有する構造（図６Ａ）と電子ブロッキング層も低屈折率材料層として構成して導波光効果を低減させた発光ダイオードの構造（図６Ｂ）と間で導波光モードプロファイル形状６００を対比するものである。図６Ａおよび図６Ｂは、活性領域とその周囲における構造の詳細を示すＬＥＤ構造の概略図である。この詳細構造には導波光モードプロファイルを重ねて図示している。
【００２６】
図６Ａは、肉薄の低含有物ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層６０１を有する従来のＬＥＤ構造を示す。図６Ａは、ｐ−ＧａＮ層６０４が低含有物ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層６０１上に設けられ、低含有物ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層６０１が活性領域６０３上に設けられ、活性領域６０３がｎ−ＧａＮ層６０５上に設けられている様子を示す。図示のように、導波光モード６０２は、活性領域６０３内に非常に限定されている。
【００２７】
図６Ｂは、十分な厚さおよび低屈折率の低屈折率材料層６０６を有する特定の実施形態であり、導波光モードプロファイル６０７が活性領域６０３から離れる方向に押し出されている。低屈折率材料層６０６はまた、電子ブロッキング層の通常の機能（例えば、キャリア閉じ込め）も有することができる。
【００２８】
図６Ａおよび図６Ｂは、電子ブロッキング層を有する構造、およびいくつかの実施形態による低屈折率材料層を有する構造をそれぞれ備えたＬＥＤにおける導波光モードプロファイルを示す簡単な図である。従来の構造は、ｐドープ層、ｎドープ層、（量子井戸のスタックによって構成された）活性領域、および肉薄のＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）を有するスタックを含む。この構造において、導波光モードは、完全に活性領域内に限定される。導波光モードへの発光は、活性領域との重複度に比例するため、ＧＬＡＲ量が高くなる。
【００２９】
これとは対照的に、図６Ｂに示すような低屈折率材料（ＬＩＭ）層を備えた構造の場合、従来の電子ブロッキング層に代わって、より低屈折率でより肉厚の層が用いられている。この低屈折率材料は、電子ブロッキング層として機能し、また、導波光モードのプロファイルを活性領域から離れる方向に有意に分散させるため、ＧＬＡＲ量が低減する。特定の実施形態において、低屈折率材料層は、活性領域の少なくとも１光波長内にあり、この場合、光波長とは、ＬＥＤの発光波長または発光波長範囲である。特定の実施形態において、低屈折率層は、活性領域の５００ｎｍ内、活性領域の３００ｎｍ内、活性領域の２００ｎｍ内であり、また、特定の実施形態においては活性領域の１００ｎｍ内である。低屈折率層は、活性領域内に設けてもよいし、活性領域に隣接してもよいし、あるいは活性領域に隣接する領域（例えば、クラッド層、pドープ層、またはーｎドープ層）内に設けてもよい。特定の実施形態において、上記の任意の組み合わせで低屈折率層を設けることができる。本明細書中において用いているように、ある層が別の層の上方または下方にあると言う場合、両者の相対的位置は、絶対的なものではなく、ＬＥＤの配向によって異なる。同様に、「〜上に設けられる」および「〜下に設けられる」という表現も、絶対的な位置ではなく、そのＬＥＤの配向によって異なる。
【００３０】
図７Ａおよび図７Ｂは、いくつかの実施形態による電子ブロッキング層（ＥＢＬ）を有する構造および低屈折率材料（ＬＩＭ）層を有する構造をそれぞれ備えたＬＥＤについてモデル化された導波光モードプロファイルを示す。図７Ａおよび図７Ｂの両方とも、各ＬＥＤは、活性領域内に１０個の量子井戸を含む。
【００３１】
図７Ａおよび図７Ｂはまた、ＬＥＤの屈折率プロファイルも示す。図７Ａは、ｐ側の金属電極およびＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（Ａｌ１５ＧａＮ、厚さ１０ｎｍ）を含むＬＥＤ構造に基づいた屈折率プロファイルを示す。図７Ｂは、電子ブロッキング層に代わって低屈折率材料層（Ａｌ８３ＩｎＮ、厚さ４０）を用いたＬＥＤ構造に基づいた屈折率プロファイルを示す。ここで、低屈折率材料は、電子ブロッキング層として機能し、導波光を実質的に低減させる。図７Ａから分かるように、電子ブロッキング層の存在にもかかわらず、導波光モードは完全に活性領域に制限されている。これとは対照的に、図７Ｂから分かるように、この制限が少なくなっている。
【００３２】
図８は、様々な組成の低屈折率材料層を有するＬＥＤ活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す。この低屈折率材料層は、モデル化において厚さ２０ｎｍとして仮定した。電子ブロッキング層も低屈折率材料層も有さないＬＥＤ構造のモデル化結果を対照例（実線）として示す。
【００３３】
図８から分かるように、電子ブロッキング層または低屈折率材料が全く無い場合（実線）に、導波光が最大となる。電子ブロッキング層（Ａｌ１０ＧａＮ、厚さ２０ｎｍ）を挿入すると、導波光が若干低下する。ＧａＮホスト材料と格子整合したＡｌ２５ＧａＮまたはＡｌＩｎＮ（それぞれ屈折率がＡｌ１０ＧａＮより低い）によって構成された低屈折率材料を用いると、導波光がさらに低減した。組成および厚さに応じたいくつかの構造を用いると、特に活性領域内の量子井戸数を約５個〜約８個にした場合、ＧＬＡＲ量を実質的に低減することができる。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の低屈折率材料層を、活性領域の上方および／または下方に、例えばｎ−ＧａＮおよび／またはｐ−ＧａＮ層に向かって挿入する。
【００３４】
図９は、いくつかの実施形態による様々な厚さの低屈折率材料層についてＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数として示すモデル化結果を示す。この低屈折率材料は、ＧａＮに格子整合したＡｌＩｎＮを含む。電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造のモデル化結果を対照例（実線）として示す。図９はさらに、低屈折率材料層の厚さおよび数による導波光発光への影響を示す。図９から分かるように、厚さ２０ｎｍの低屈折率材料層を活性領域上に配置した場合は、電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造の場合よりも、導波光が低減する。低屈折率材料層の厚さを例えば４０ｎｍへ増加させることにより、導波光の割合がさらに低減する。さらに、厚さ４０ｎｍの低屈折率材料層を活性領域の両側に２つ配置すると、導波光がさらに低下する。後者の場合、活性領域内に１５個の量子井戸が含まれる場合でも、ＧＬＡＲが実質的に低減するか、または回避される。
【００３５】
上に示した各実施形態は、所与の数の量子井戸に対してＧＬＡＲ量を低減するために示したが、図示の変形例のいずれも、量子井戸（例えば、２０個以上の量子井戸）を多数備えた構造において、ＧＬＡＲの漸近部分への有意な影響は無かった。この漸近値は、活性領域の平均屈折率を低下させることにより、低減させることができる。これは、図１０に示し説明する実施形態など、量子障壁が低屈折率材料によって構成されるいくつかの実施形態において、実現される。
【００３６】
図１０は、いくつかの実施形態による様々な組成の量子障壁について、ＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数としてモデル化した結果を示す。図１０は、量子障壁の組成による導波光発光への影響を示す。電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造のモデル化結果を対照例（実線）として示す。図１０から分かるように、量子障壁がＡｌ１０ＧａＮによって構成される場合、所与の数の量子井戸についてのＧＬＡＲの割合は、電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造と比較して低下している。さらに、ＧＬＡＲの漸近部分も低下している。屈折率がＡｌ１０ＧａＮより低いＡｌ２０ＧａＮによって量子障壁が構成される場合、所与の数の量子井戸に対するＧＬＡＲの割合も、ＧＬＡＲの漸近部分も、さらに低減する。
【００３７】
いくつかの実施形態は、活性領域の上方および下方に配置された低屈折率材料層と低屈折率材料で構成された量子障壁とを組み合わせてもよい。
【００３８】
図１１は、低屈折率材料障壁および低屈折率材料電子障壁層を用いたいくつかの実施形態によるＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数として示したモデル化結果を示す。電子ブロッキング層も低屈折率材料層もないＬＥＤ構造に基づいた曲線（実線）を対照例として示す。破線の曲線は、低屈折率材料層が活性領域（Ａｌ３０ＧａＮ、厚さ２０ｎｍ）の上方にあって低屈折率材料（Ａｌ０５ＧａＮ）の量子障壁を有する構造に基づく。図１１から分かるように、低屈折率材料障壁および低屈折率材料電子障壁層を用いたＬＥＤにおいては、電子ブロッキング層も低屈折率材料もないＬＥＤの場合よりも、導波光が低減する。
【００３９】
図示の実施形態のうちいくつかは、量子井戸を１０個使用可能でＧＬＡＲがないか、ほとんどない構造を利用可能である。
【００４０】
既述したように、性能向上のためには、ＬＥＤにおいて活性領域を覆うように超格子層（ＳＬ）を成長させる場合が多い。しかし、ＳＬを設けた場合、活性領域の付近の高屈折率材料の量が増加するため、ＧＬＡＲの増加という悪影響があることがある。超格子層は典型的には、肉薄の一連のＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層によって形成される。いくつかの場合において、ＳＬに代わって、低インジウム含有量の均質ＩｎＧａＮ層が用いられる。このような層は、ＧＬＡＲに関して同様の目的および同様の効果を有するので、これをＳＬ層と呼ぶ場合もある。
【００４１】
図１２は、いくつかの実施形態による超格子層（ＳＬ）を含むＬＥＤ中の導波光モードプロファイルを示す簡単な図である。図１２に示すＬＥＤは、活性領域１２０３を覆う肉薄の電子ブロッキング層１２０４の上にあるｐ−ＧａＮ層１２０１と、超格子１２０２と、ｎ−ＧａＮ層１２０５とを含んでいる。図１２に示すように、ＳＬは、導波光のモード１２１０に寄与している。よって、悪影響を低減するためには、超格子層内またはその付近に低屈折率材料層を設けることが望ましい。
【００４２】
図１３は、いくつかの実施形態による超格子層中に挿入された低屈折率層を含むＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合を量子井戸数の関数として示したモデル化結果を示す。比較のため、電子障壁層がなく超格子層があるＬＥＤと、電子障壁層も超格子もないＬＥＤの活性領域内で導光される光の割合のモデル化結果も示す。図１３から分かるように、肉薄のＧａＮ層および肉薄のＩｎＧａＮ層が交互に設けられた典型的なＳＬが付加された場合、量子井戸数が約５未満であるとＧＬＡＲは、超格子層のないＬＥＤと比較して有意に増加する。また、図１３から分かるように、ＬＩＭ電子ブロッキング層（例えば、厚さ２０ｎｍのＡｌＩｎＮ製のもの）を活性領域の上方に配置し、ＳＬにＬＩＭ層を設けた場合、量子井戸数が約１２を下回ると、ＳＬのあるＬＥＤと比較してＧＬＡＲが低下する。また、ＳＬもＥＢＬもないＬＥＤと比較した場合も、量子井戸数が約１５を下回ると、ＧＬＡＲが低下する。この図示の例において、ＳＬは、ＡｌＧａＮの層およびＩｎＧａＮの層を交互に設けた構成であり、ＡｌＧａＮ層は、ＬＩＭ層として機能し、ＳＬの平均屈折率を低下させる機能を果たす。
【００４３】
そのため、いくつかの実施形態によれば、ＳＬの導波光効果が低減される。このような１つの実施形態において、ＧａＮ／ＩｎＧａＮＳＬに代わって、低屈折率材料／ＩｎＧａＮ超格子（例えば、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＳＬまたはＡｌＩｎＮ／ＩｎＧａＮＳＬ）を用い、ＳＬの平均屈折率を低下させ、導波光を低減させるようにする。別の実施形態において、ＧａＮ／ＩｎＧａＮＳＬに代わって、ＧａＮ／ＬＩＭ超格子（例えば、ＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮＳＬ）が用いられる。この場合、低屈折率材料は、ＳＬのいくつかの実施形態においてＩｎＧａＮが有するのと同じ有用な効果を有するが、これは低屈折率であるので、導波光が減る。別のこのような実施形態において、ＳＬは、２つの低屈折率材料層間のクラッドである。
【００４４】
上記した実施形態において、均質材料（例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮ）によって構成された低屈折率材料層の使用を想定した。しかし、いくつかの実施形態において、低屈折率材料層の組成は不均質である。いくつかの実施形態において、低屈折率材料層は超格子である（例えば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子またはＧａＮ／ＡｌＩｎＮ超格子）。他の実施形態において、低屈折率材料層は、組成が成長方向にわたって変化する（例えば、化学量論的段階層）。
【００４５】
上記したように、低屈折率材料層は、電子ブロッキング層などの別な機能を有してもよい。いくつかの実施形態において、低屈折率材料層を活性領域の下側に設けて、ホール遮断層として機能させてもよい。
【００４６】
上記したように、いくつかのＬＩＭ層を活性領域の周囲に設けることが可能であり、場合によっては望ましい。これら複数のＬＩＭ層を組み合わせて、ＧＬＡＲを低減してもよい。
【００４７】
よって、いくつかの実施形態は、ＬＩＭ層全体で特定の厚さを達成してＧＬＡＲを実質的に低減するようにしている。これらの実施形態のうちいくつかにおいて、所与の厚さのＬＩＭ層を活性領域の下側に成長させ、別のＬＩＭ層を活性領域の上側に成長させてＬＩＭ層の全厚が目標値を上回るようにする。
【００４８】
上記したように、いくつかの実施形態において、ＧＬＡＲ低減のためのＬＩＭ層の使用と、ＬＥＤのバルクを伝播する光の抽出の増大のための他の光抽出機能とを組み合わせることができる。いくつかのこのような実施形態では、ＬＩＭ層をＬＥＤの粗面化と組み合わせる。これは、ＬＩＭ層を含むエピタキシャル材料を成長させ、ＬＥＤチップをこのような材料と共に形成し、ＬＥＤのファセットのうち少なくとも一部を粗面化することにより、達成することができる。同様に、他の実施形態では、ＬＩＭ層の使用と、他の光抽出構造（例えば、ＬＥＤダイの巨視的整形）とを組み合わせてもよい。
【００４９】
実施形態のなかには、エピタキシャル成長の実行容易性の観点から、他の実施形態より実現しやすいもののある。格子定数の差は、歪みに繋がり、エピタキシャル成長が困難になることがある。例えば、いくつかのＡｌＩｎＧａＮ化合物は、ＬＥＤのホスト材料（例えば、ＧａＮ）に対して格子定数差が大きいことがある。そのような場合、対応する低屈折率材料層の最大厚が制限される。そのため、格子不整合を制限することが望ましい。いくつかの実施形態において、低屈折率材料の格子は、ＬＥＤのホスト材料の格子と整合させるか、または実質的に整合させる。一例として、Ａｌ８３ＩｎＮがある。なぜならば、低屈折率材料Ａｌ８３ＩｎＮの格子は、ＧａＮの格子との整合上、近いからである。他の実施形態において、低屈折率材料は、量子井戸の格子定数に整合するか、または実質的に整合する。
【００５０】
第ＩＩＩ族窒化物材料には、ヘテロ構造内に分極電界が存在することがある。この分極電界の強度を低下させることが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、低屈折率材料は、ＧａＮと分極を整合させるか、または実質的に整合させる。他の実施形態では、低屈折率は、量子井戸と分極を整合させるか、または実質的に整合させる。
【００５１】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤは第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであり、半極性界面に沿った面配向を有する。他の実施形態において、ＬＥＤは第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであり、非極性界面に沿った面配向を有する。
【００５２】
図１４は、ＬＥＤの製造方法を示す簡単なフロー図である。このような方法および他の方法について、以下に説明する。本方法は以下の工程を含む。すなわち、基板を用意し（１４１０）、基板を覆うｎドープ層を堆積させ（１４２０）、基板を覆う少なくとも１層の発光材料を含む活性領域を堆積させ（１４３０）、基板を覆うｐドープ層を堆積させ（１４４０）、活性領域の少なくとも１波長内に少なくとも１つの低屈折率層を堆積させる（１４５０）ことであり、低屈折率層は、活性領域による導波光を実質的に低減させるように構成されている。
【００５３】
図１５は、様々なＩＩＩ窒化物層についての屈折率対波長の実験結果を示す。特定の実施形態を設計するには、モデル化を用い、各層の屈折率の正確な値を用いることが望ましい場合がある。図１５は、分光偏光解析法によって得られた様々なＩＩＩ窒化物層についての屈折率の実験結果１５００を示す。以下の層が、図１５中に記載されている。すなわち、ＧａＮ（１５０２）、バンドギャップが４１０ｎｍであるＩｎＧａＮ（１５０４）、バンドギャップが３２０ｎｍであるＡｌＧａＮ（１５０６）、バンドギャップが３８０ｎｍであるＩｎＧａＮ（１５０８）である。図１５はまた、４００ｎｍ程度で発光する第ＩＩＩ族窒化物活性領域の発光スペクトル１５１０を示す。図１５に示す屈折率の全分散を用いることにより、ＧＬＡＲを低減または回避する実施形態を高精度に設計することができる。この効果に合わせて、多様な組成の層を成長および特徴付けることができる。
【００５４】
図１６は、実験結果から得られた屈折率値対化合物組成１６００を示す。図１６は、波長４１５ｎｍにおける様々な化合物の屈折率を示す。ＧａＮの屈折率１６０２が図示されている。さらに、ＩｎＧａＮの屈折率１６０４およびＡｌＧａＮの屈折率１６０６がそれぞれＩｎおよびＡｌ組成の関数として示されている。図１６を用いて、所与の平均屈折率を有する一連の層を設計することができる。例えば、ＡｌおよびＩｎ組成が類似し厚さが同じようなＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とで構成された超格子は、平均屈折率がＧａＮと似ている。なぜならば、ＩｎＧａＮ層の屈折率増加分がＡｌＧａＮ層の屈折率低下分によって補償されるからである。このような構造は、ＧＬＡＲの低減または抑制において望ましい。
【００５５】
いくつかの実施形態において、いわゆる「ダミー量子井戸」（ＤＱＷ）を成長させることが望ましい。ＤＱＷは、バンドギャップが活性領域より高い量子井戸層である。例えば、ＩｎＧａＮＬＥＤの場合、ＤＱＷは、Ｉｎ含有量が活性領域より低い量子井戸でよい。ＤＱＷは、実質的な量の光を発しないが、例えば結晶の構造品質を向上させ、または欠陥を集積することにより、ＬＥＤの性能を向上させることができる。ＤＱＷは、活性領域の付近に成長させることができる（例えば、活性領域の上側または下側）。
【００５６】
図１７は、ＤＱＷを含む特定のエピタキシャル構造の屈折率プロファイル１７００をエピタキシャルスタック上の位置の関数として示す。位置ｘ＝０は、スタックの頂部に対応する。図１７の構造には、様々な層が存在する。これらの層は、（スタックのｎ側およびｐ側双方に存在する）ＧａＮ１７０２と、ＥＢＬ１７０４と、（量子井戸および障壁を含む）活性領域１７０６と、ＤＱＷおよびその障壁１７０８のスタックと、超格子１７１０とを含む（低屈折率および高屈折率の一連の層を含んでもよいが、超格子の平均屈折率のみを図示している）。
【００５７】
いくつかの実施形態において、図１７と同様の構造を用いることが可能である。いくつかの実施形態において、超格子ｍは、ＩｎＧａＮおよびＬＩＭ（例えば、ＡｌＧａＮ層）を含んでもよい。いくつかの実施形態において、ＤＱＷの障壁は、ＬＩＭ（例えば、ＡｌＧａＮ）を含んでもよい。いくつかの実施形態において、活性領域内の障壁は、ＬＩＭ（例えば、ＡｌＧａＮ）を含んでもよい。いくつかの実施形態において、ＥＢＬは、ＬＩＭ（例えば、ＡｌＧａＮ）を含んでもよい。これらのＬＩＭ層の厚さおよび組成は、ＧＬＡＲを低減または抑制するように選択することができる。同様に、ＤＱＷおよび発光量子井戸の数も、ＧＬＡＲを低減または抑制するように選択することができる。
【００５８】
図１８は、ＧＬＡＲの存在を検出するために用いられる実験装置１８００を示す。図１８は、ＧＬＡＲを検出可能な方法を示す。レーザによる励起１８０２で発光１８０４が生ずる。発光の一部はＧＬＡＲ１８０６へ出射されて、試料の縁部へ伝播し、検出器１８０８（例えば、カメラ）によって収集することができる。
【００５９】
図１９は、図１８の装置などで収集されたカメラ画像１９００を示す。図１９において、２つの試料を比較している。左側の画像１９０２は、標準的なエピタキシャルスタックを用いて成長させた試料に対応し、右側の画像１９０４は、ＧＬＡＲを抑制するエピタキシャルスタックを用いて成長させた試料に対応する。後者のスタックは、図１７に示すものに類似している。左側の画像１９０２には、輝線１９０６が観察される。すなわち、導波光が試料縁部に到達したことを示している。（同様の条件下において収集された）右側の画像１９０４には、信号が観測されなかった。このことは、エピタキシャル構造中にＧＬＡＲが存在しないことを示す（例えば、左側の画像１９０２を右側の画像１９０４と比較）。
【００６０】
いくつかの実施形態において、量子井戸スタックに代わって二重ヘテロ構造（ＤＨ）活性領域を用いることができる。いくつかの実施形態において、エピタキシャル構造は、ＤＨと、ＤＨの下側または上側に成長させた１つまたは複数のＤＱＷとを含んでもよい。いくつかの実施形態において、ＤＱＷ領域の障壁は、ＬＩＭ層を含んでもよい。
【００６１】
図２０は、ＤＱＷおよびＤＨを含む特定のエピタキシャル構造の屈折率プロファイル２０００をエピタキシャルスタック上の位置の関数として示す。位置ｘ＝０は、スタックの頂部に対応する。図２０の構造には、様々な層が存在する。これらの層は、（スタックのｎ側およびｐ側双方に存在する）ＧａＮ２００２と、ＥＢＬ２００４と、ＤＱＷおよびその障壁のスタック２００６と、ＤＨ活性領域２００８と、ＤＱＷおよびその障壁のスタック２０１０と、超格子２０１２とを含む（低屈折率および高屈折率の一連の層を含んでもよいが、超格子中の平均屈折率のみを図示す）。
【００６２】
いくつかの実施形態において、図２０に類似する構造を用いることができる。いくつかの実施形態において、超格子は、ＩｎＧａＮおよびＬＩＭ（例えば、ＡｌＧａＮ）層を含んでもよい。いくつかの実施形態において、ＤＱＷの障壁は、ＬＩＭ（例えば、ＡｌＧａＮ）を含んでもよい。いくつかの実施形態において、ＥＢＬは、ＬＩＭ（例えば、ＡｌＧａＮ）を含んでもよい。これらのＬＩＭ層の厚さおよび組成は、ＧＬＡＲを低減または抑制するように選択することができる。同様に、ＤＨのいずれかの側上のＤＱＷの数およびＤＨの厚さも、ＧＬＡＲを低減または抑制するように選択することができる。
【００６３】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤは、第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤである。いくつかの実施形態において、ＳＬ層は、ＳＬの平均屈折率がＧａＮの平均屈折率を０．０５より多くは超えない組成のものである。いくつかの実施形態において、ＥＢＬは、ＧａＮの屈折率から０．０５を減算した値より小さい屈折率の組成を有するものである。いくつかの実施形態において、ＤＱＷおよびその障壁は、ＤＱＷの平均屈折率がＧａＮの平均屈折率を０．０５より多くは超えない組成のものである。これらの値は全て、ピーク発光波長に関係している。
【００６４】
ある実施形態では、ＬＥＤは、エピタキシャル構造内に以下の層が含まれる第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤである。すなわち
−一連のｎドープ層と、
−平均屈折率が０．０５より多くＧａＮを超えないＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子と、
−ＧａＮ障壁と、
−ＡｌＧａＮ障壁を有し、当該領域の平均屈折率がＧａＮの平均屈折率を０．０５より多くは超えず、ＤＱＷの数が０〜２０である一連のＩｎＧａＮＤＱＷと、
−活性材料の合計量が５０ｎｍ未満となるようにＤＨまたは一連の量子井戸によって構成された活性領域と、
−ＤＱＷ数が０〜５でありＧａＮ障壁またはＡｌＧａＮ障壁を有する一連のＩｎＧａＮＤＱＷと、
−ＧａＮ障壁と、
−屈折率がＧａＮの屈折率から０．０５を減算した値よりも低いＥＢＬと、
−一連のｐ層である。
【００６５】
ＧＬＡＲ割合を低減するための別の方法として、いくつかの実施形態において、組成が不均質である発光層が用いられる。例えば、第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの場合、いくつかの実施形態において、少なくとも１つの発光層にわたってＩｎプロファイルが変化するＩｎＧａＮ発光層（例えば、ステップ状または段階状の量子井戸または二重ヘテロ構造）が用いられる。Ｉｎプロファイルを変化させることにより、活性領域内の平均屈折率の低減を助け、ＧＬＡＲの出射の低減または抑制に貢献することができる。
【００６６】
ＧＬＡＲの現象は、様々なＬＥＤ構造において発生することがある。例えば、２００〜１，０００ｎｍの範囲において発光する典型的な構造において発生することがある。ＬＥＤの発光波長が増加すると、ホスト材料（例えば、ＧａＮ）と発光層（例えば、ＩｎＧａＮ）との間の屈折率コントラストが増加する場合が多く、その結果、ＧＬＡＲの割合も増大する。
【００６７】
図２１は、特定のエピタキシャル構造の屈折率プロファイル２１００をエピタキシャルスタック上の位置の関数として示す。位置ｘ＝０は、スタックの頂部に対応する。図２１は、ＧａＮ層２１０２、ａｎＥＢＬ２１０４、４つの量子井戸２１０６および超格子２１０８を含む。これら４つの量子井戸は、厚さが４．５ｎｍであり、その障壁の厚さは３．５ｎｍである。ＥＢＬは、１０％のＡｌを含み、厚さが１０ｎｍである。超格子中の平均Ｉｎ含有量は、４％である。図２１は、単純なＬＥＤ構造であり、大量のＩｎを含まない。そのため、この構造は、ＧＬＡＲの存在については控えめな構造とみなすことができる。図２１は、いくつかの市販のＬＥＤ構造の代表例である。
【００６８】
図２２は、図２１の構造について、導波光の量２２００をＬＥＤの発光波長の関数として示す。図２２は、ＧＬＡＲ中に出射される合計出射光の割合をＬＥＤ発光波長の関数として示す。ＧＬＡＲの割合は、発光波長の増加と共に増加する。これは、量子井戸とＧａＮとの間の屈折率コントラストが増大することに起因する。図２２は、単純な青色発光ＬＥＤ構造にはＧＬＡＲの問題があることで性能が制限される様子を示す。
【００６９】
図２３は、図２１および図２２と構造が同様であるがＬＩＭ層を備えた構造について、導波光の量２２００をＬＥＤ発光波長の関数として示す。図２３で検討する構造は、Ａｌ０５ＧａＮ／Ｉｎ０４ＧａＮ超格子、Ａｌ１５ＧａＮ量子井戸障壁および厚さ２０ｎｍのＡｌ２０ＧａＮＥＢＬを含んでいる。これらの層は全て、他の実施形態において述べたように、ＬＩＭ層を構成する。導波光の割合は、図２２の場合よりも図２３の場合の方が実質的に低い。４５０ｎｍで発光するＬＥＤの場合、ＧＬＡＲの割合は１０倍低減できる。
【００７０】
このように、本願に記載した技術は、多様な波長範囲およびＬＥＤ構造に関係している。これらの技術は、市販のＬＥＤエピタキシャルスタックを実質的に超えて性能を向上させることができる。さらに、ＧＬＡＲの割合を低減するためにＬＩＭを用いることにより、ＬＥＤ性能に有意な影響を及ぼすことができる。特定の実施形態において、ＬＩＭを用いることにより、デバイスの正味の抽出効率にパーセントで１ポイント以上（例えば、１％〜３％、１％〜５％、または１％〜１０％）影響を与えることができる。
【００７１】
図２４は、ＬＥＤについてのモデル化された正味の抽出効率２４００を構体中の量子井戸数の関数として示す。検討したＬＥＤは、粗面を有するバルクＧａＮＬＥＤである。導波光および活性領域再吸収が全く無い場合、その抽出効率は約７７％である。ＬＩＭ層の設計に配慮していない標準的なエピタキシャル構造の場合、抽出効率２４０２は、実質的に量子井戸数によって影響を受ける。６個の量子井戸を用いると、抽出が約４％だけ低下する。良好に設計されたＬＩＭ層を用いると、量子井戸数による抽出効率２４０４への影響は、ごくわずかである。すなわち、この場合における唯一の影響は、伝播光が量子井戸によって吸収される点である。図２４は、本発明の実施形態により、ＬＥＤ性能を１％または数％だけ向上させることが可能であることを示す。
【００７２】
デバイスの実施形態を得るための可能な１組のステップを以下に示す。すなわち、
−１組の従来のエピタキシャル層（例えば、ＧａＮバッファおよびｎドープＧａＮ）をエピタキシャル基板上に成長させ、
−さらに、ＬＩＭ層を含む超格子スタックを成長させ、
−さらに、いくつかの量子井戸および障壁によって構成された活性領域を成長させ、
−さらに、ＥＢＬとしても機能するＬＩＭ層を成長させ、
−さらに、ｐドープＧａＮ層のスタックを成長させ、
−これらの結果得られたエピタキシャル材料をＬＥＤチップ形成用に処理することである。
【００７３】
処理は、あるステップ（例えば、上記ステップの最中、または上記ステップの前または後）を含んでもよい。例えば、ＬＥＤチップに光抽出機能（例えば、粗面）を与える任意の公知の処理技術を用いることができる。
【００７４】
図１４は、いくつかの実施形態によるＬＥＤの製造方法を示す簡単なフローチャートである。図示のように、いくつかの処理ステップを用いて、ＬＥＤデバイスを形成することができる。これらの処理ステップは、個々に分割してもよいし、あるいは、１つのプロセスステップの任意の局面または材料を経路１４０５を通る別のプロセスへ提供してもよい。図示のように、本方法は、
−基板を用意し（処理ステップ１４１０を参照）、
−基板上にｎドープ層を堆積させ（処理ステップ１４２０を参照）、
−少なくとも１つの層の発光材料を含む活性領域を基板上に堆積させ（処理ステップ１４３０を参照）、
−基板上にｐドープ層を堆積させ（処理ステップ１４４０を参照）、
−少なくとも１つの低屈折率層を活性領域内またはその周囲に堆積させることを含み、低屈折率層は、活性領域による導波光を実質的に低減させるように形成される（処理ステップ１４５０を参照）。
【００７５】
図１４に示す特定のステップは、本発明の実施形態による特定のＬＥＤ製造方法を提供するものであることを理解すべきである。別の実施形態に従って、他の順序のステップを行ってもよい。例えば、本発明の別の実施形態では、上記したステップを異なる順序で行うことができる。さらに、図１４に示す個々のステップに複数のサブステップを設けてもよく、これらのサブステップは個々のステップに適した多様な順序で行うことができる。さらに、特定の用途に応じて、別のステップを追加または除去することができる。当業者であれば、多数の改変例、変更例および代替例が可能であることを認識するであろう。
【００７６】
これまでの例示的実施形態の記載は、あくまで説明目的にすぎず、網羅的でもなく、また開示の形態そのものに本発明を限定することも意図していない。上記の教示に鑑みれば、多数の改変例および変更例が可能である。
【００７７】
これらの実施形態は、当業者が本発明および様々な実施形態、ならびに企図される特定の用途に適するような多様な改変例を利用できるように本発明の原理およびその用途を説明する目的で選択および記載したものである。本発明の関連する分野の当業者であれば、その意図および範囲から逸脱することなく別の実施形態を想起しよう。よって、本発明の範囲は、本明細書に記載の上記例示的実施形態ではなく、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【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１３】
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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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【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年10月30日(2014.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのｎドープ層と、
少なくとも１つのｐドープ層と、
少なくとも１つの層の発光材料を含み、前記少なくとも１つのｎドープ層と前記少なくとも１つのｐドープ層との間に配置された活性領域と、
該活性領域の１光波長内に配置され、該活性領域による導波光を実質的に低減させるように構成された少なくとも１つの低屈折率層とを含む発光ダイオード。
【請求項２】
前記発光材料から発光される全光のうち１０％未満が前記活性領域によって導光される請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記発光材料から発光される全光のうち２％未満が前記活性領域によって導光される請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
さらなる光抽出機能をさらに含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記さらなる光抽出機能は、立方体形状、三角形状、正方形状またはピラミッド形状からなる群から選択されるＬＥＤ形状を含む請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記さらなる光抽出機能は、前記発光ダイオードの１つ以上の表面に形成された表面粗さが約２００ｎｍ〜約１０ｕｍである請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記ＬＥＤは、第ＩＩＩ族窒化物材料を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記第ＩＩＩ族窒化物材料は、非極性結晶学的配向および半極性結晶学的配向から選択された面配向を特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記基板は、バルク第ＩＩＩ族窒化物材料を含む請求項７に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、非均質な材料組成を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、キャリア閉じ込め層として構成されている請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記活性領域は、総厚が少なくとも１０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記活性領域は、総厚が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、前記活性領域の片側、該活性領域の両側、該活性領域の内部、または前記のうちいずれかの組合せに配置されている請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記活性領域は、２つ以上の量子井戸を含み、該２つ以上の量子井戸間の少なくとも１つの障壁層は、低屈折率材料を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
超格子を含み、
該超格子は、前記活性領域の片側または前記活性領域の両側に配置され、
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、前記超格子の片側、該超格子の両側、該超格子の内部、または前記のうちいずれかの組合せに配置されている請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの低屈折率層は、該発光ダイオードのホスト材料に格子が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、前記活性領域を形成する材料に格子が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの低屈折率層は、該発光ダイオードのホスト材料に分極が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの低屈折率層は、前記活性領域を形成する材料に分極が実質的に整合している請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記活性領域および前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、平均屈折率がホスト材料の屈折率より０％〜５％だけ高いことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記活性領域は、１つ以上の二重ヘテロ構造層を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
前記活性領域の片側に配置された低屈折率量子井戸領域を含み、該低屈折率量子井戸領域は、実質的な量の光を発光するように構成されている請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２４】
前記低屈折率量子井戸領域を包囲する少なくとも１つの低屈折率材料層を含む請求項２３に記載の発光ダイオード。
【請求項２５】
前記ＬＥＤは、発光波長が約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２６】
前記ＬＥＤは、発光波長が約３９０ｎｍ〜約４３０ｎｍの範囲および約４３０ｎｍ〜約４７０ｎｍの範囲から選択されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２７】
前記ＬＥＤは、発光波長が約４３０ｎｍ〜約４７０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの層の発光材料の少なくとも１層は、該少なくとも１つの層の発光材料の別の層とは異なる材料組成を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項２９】
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｎドープ層と、
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｐドープ層と、
ＧａＮの平均屈折率を０．０５より多くは超えない平均屈折率を有することを特徴とし、前記少なくとも１つのｎドープ層と前記少なくとも１つのｐドープ層との間に配置されたＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子と、
一連の量子井戸および１つ以上の二重ヘテロ構造を含み、総厚が５０ｎｍ未満であることを特徴とし、前記少なくとも１つのｎドープ層と前記少なくとも１つのｐドープ層との間に配置された活性領域と、
ＧａＮの屈折率から０．０５を減算した値より低い屈折率を有することを特徴とし、前記少なくとも１つのｎドープ層と前記少なくとも１つのｐドープ層との間に配置された電子ブロッキング層とを含む発光ダイオード。
【請求項３０】
発光量子井戸の片側または両側に配置された複数のＩｎＧａＮ量子井戸をさらに含み、
該複数のＩｎＧａＮ量子井戸は実質的な量の光を発光せず、
該複数のＩｎＧａＮ量子井戸は、屈折率が前記発光量子井戸の屈折率より低いことを特徴とする請求項２９に記載の発光ダイオード。
【請求項３１】
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｎドープ層と、
ガリウム窒化物ベースの材料を含む少なくとも１つのｐドープ層と、
前記少なくとも１つのｎドープ層と前記少なくとも１つのｐドープ層との間に配置され、インジウム−ガリウム窒化物ベースの１つ以上の材料層を含む活性領域と、
前記少なくとも１つのｐドープ層と前記活性領域との間、または前記少なくとも１つのｎドープ層と前記活性領域との間に配置され、ガリウム窒化物の屈折率より低い屈折率を有することを特徴とする少なくとも１つの低屈折率材料層とを含む発光ダイオード。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの低屈折率材料層は、アルミニウム−インジウム−ガリウム窒化物ベースの材料を含む請求項３１に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項３３】
ガリウム窒化物ベースの材料を含む表面領域を含む基板を用意し、
該基板の前記表面領域を覆う少なくとも１つのｎドープ層を形成し、該少なくとも１つのｎドープ層はガリウム窒化物ベースの材料を含み、
前記ｎドープ層を覆う活性領域を形成し、該活性領域は、インジウム−ガリウム窒化物ベースの材料によって形成された１つ以上の層を含み、
前記活性領域を覆う少なくとも１つのｐドープ層を形成し、該少なくとも１つのｐドープ層はガリウム窒化物ベースの材料を含み、
前記少なくとも１つのｐドープ層と前記活性領域との間、または前記少なくとも１つのｎドープ層と前記活性領域との間に配置された少なくとも１つの低屈折率材料層を形成することを含み、該少なくとも１つの低屈折率層は、ガリウム窒化物の屈折率より低い屈折率を有することを特徴とし、前記低屈折率層は、前記活性領域による導波光を実質的に低減させるように構成されている発光ダイオードの製造方法。
【国際調査報告】
2015509669.tif 000027
2015509669.tif 000028