(57)【要約】【課題】  光結晶構造を含む半導体発光装置を提供する。【解決手段】  ｎ型領域及びｐ型領域間に挟まれた活性領域を含むＩＩＩ族窒化物半導体構造のｎ型領域に形成された光結晶構造。反射体は、活性領域と反対側のｐ型領域の表面上に形成される。いくつかの実施形態では、ｎ型領域と、活性領域と、ｐ型領域とが成長する成長基板は、装置のｎ型領域に光結晶を形成することを容易にし、光結晶の下にあるｐ型領域の表面上に反射体を形成することを容易にするために除去される。光結晶及び反射体は、活性領域によって放射された光の制御を可能にすることができる共振空洞を形成する。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型及びｐ型領域間に配置された活性領域を含むＩＩＩ族窒化物半導体構造と、
前記ｎ型領域の少なくとも一部分に形成された光結晶構造と、
前記活性領域の反対側の前記ｐ型領域の表面の少なくとも一部分上に配置された反射体と、
を含むことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記光結晶構造は、前記ｎ型領域の厚みの周期的変動を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記周期的構造の周期と前記活性領域により放射された光の空気中の波長との比率は、約０．１対約５であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光結晶構造は、正孔の平面格子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記正孔は、λを前記活性領域によって放射された光の前記ＩＩＩ属窒化物半導体構造における波長とすると、約０．０５λと約５λの間の深さを有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
格子の種類、格子定数、孔径、及び孔の深さは、所定の放射パターンを作り出すように選択されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
装置を出る放射の５０％を超えるものは、装置の表面に直角の軸線に対して４５度の角度により形成された出口円錐に放出されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記平面格子は、三角形格子、正方形格子、六角形格子、及び亀甲模様格子から成るグループから選択されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記平面格子は、１つよりも多い格子の種類を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記格子は、λを前記活性領域により放出された光の前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造における波長とすると、約０．１λと約１０λの間の格子定数ａを有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１１】
前記格子は、λを前記活性領域により放出された光の前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造における波長とすると、約０．１λと約４λの間の格子定数ａを有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１２】
前記格子は、格子定数ａを有し、
前記正孔は、約０．１ａと約０．５ａの間の直径を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１３】
前記正孔は、誘電体で充填されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１４】
前記誘電体は、約１と約１６の間の誘電率を有することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記反射体と前記光結晶構造の間の距離は、λを前記活性領域により放出された光の前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造における波長とすると、約λと約５λの間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記活性領域の中心と前記光結晶構造の間の距離は、λを前記活性領域により放出された光の前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造における波長とすると、約４λよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
装置におけるＩＩＩ族窒化物半導体層の全厚は、約１μｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
装置におけるＩＩＩ族窒化物半導体層の全厚は、約０．５μｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記ｎ型領域、前記活性領域、及び前記ｐ型領域の厚みは、約１μｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ｎ型領域、前記活性領域、及び前記ｐ型領域の厚みは、約０．５μｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記反射体の少なくとも一部分は、前記光結晶構造の下に重なっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記反射体に結合したホスト基板を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ホスト基板と前記反射体の間に配置された金属結合層を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記金属結合層は、金を含むことを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記ホスト基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、及びその合金のうちの１つを含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記反射体は、銀を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記光結晶構造は、前記ｎ型領域の第１の部分に形成され、
実質的に前記光結晶構造のない前記ｎ型領域の第２の部分上に形成された接点、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記接点は、前記光結晶構造を取り囲むことを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記ｐ型領域及び前記活性領域を通って前記ｎ型領域まで延びる溝と、
前記溝内の前記ｎ型領域上に配置された接点と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
前記接点及び前記光結晶構造は、前記ｎ型領域の各反対側表面上に形成されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記ｎ型領域は、第１のｎ型領域を含み、
前記光結晶構造と前記活性領域の間に配置された第２のｎ型領域、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記光結晶構造は、前記活性領域内に延びることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３３】
前記光結晶構造は、前記ｐ型領域内に延びることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
ｎ型及びｐ型領域間に配置した活性領域を含むＩＩＩ族窒化物半導体構造を成長基板上に成長させる段階と、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造をホスト基板に結合する段階と、
前記成長基板を除去する段階と、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造の前記ｎ型領域に光結晶構造を形成する段階と、
を含むことを特徴とする、半導体発光装置を形成する方法。
【請求項３５】
光結晶構造を形成する段階は、前記成長基板の除去によって露出した前記ｎ型領域の表面で該光結晶構造をエッチングする段階を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記ｎ型領域は、第１のｎ型領域であり、
光結晶構造を形成する段階は、
前記第１のｎ型領域の成長後に、該第１のｎ型領域で前記光結晶構造をエッチングする段階と、
前記光結晶構造の上に第２のｎ型領域を成長させる段階と、
前記第２のｎ型領域の上に前記活性領域及び前記ｐ型領域を成長させる段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
ＩＩＩ族窒化物半導体構造を成長基板上に成長させる段階は、前記成長基板の上に重なる前記ｐ型領域を成長させる段階、該ｐ型領域の上に重なる前記活性領域を成長させる段階、及び該活性領域の上に重なる前記ｎ型領域を成長させる段階を含み、
前記ホスト基板は、第１のホスト基板であり、
前記第１のホスト基板は、前記ｎ型領域に結合され、
前記成長基板の除去後に第２のホスト基板を前記ｐ型領域に結合する段階と、
前記第１のホスト基板を除去する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結晶構造を含む半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、技術的、経済的に有利な半導体光源である。ＬＥＤは、高輝度光を確実に提供することができ、従って、過去数十年、それらは、フラットパネルディスプレイ、信号機、及び光通信を含む多くの用途において決定的な役割を演ずるようになってきた。ＬＥＤは、フォワードバイアスされたｐ−ｎ接合を含む。電流によって駆動されると、電子及び正孔は接合領域内に注入され、そこでそれらは再結合し、光子を放出することによってそのエネルギを解放する。ＬＥＤの品質は、例えば、ＬＥＤチップ内で発生した所定の数の光子に対する発光強度の尺度であるその抽出効率によって特徴付けることができる。抽出効率は、例えば、高屈折率半導体媒体の壁で多重全反射を受ける放出光子によって制限される。その結果、放出光子は、自由空間中へは脱出せず、一般的に３０％よりも少ない劣った抽出効率をもたらす。
【０００３】
過去３０年間、ＬＥＤの抽出効率を高めるために様々な手法が提案されてきた。抽出効率は、例えば、立方形、円筒形、ピラミッド形、及びドーム状の形状を含む適切な幾何学形状を作成することにより、放出光子が脱出することができる空間角度を拡大することによって増大させることができる。しかし、これらの幾何学形状のどれも、全反射からの損失を完全には除去できない。
損失の更に別の原因は、ＬＥＤ及び周囲媒体間の屈折率不一致によって引き起こされる反射である。そのような損失は、反射防止コーティングで減少させることができるであろうが、反射の完全な相殺は、特定の光子エネルギ及び１つの入射角で達成することができるだけである。
【０００４】
Ｊ・ジョアノポロス他に付与された「周期的誘電体構造を使用する発光装置」という名称の米国特許第５，９５５，７４９号は、抽出効率を高める問題に対する手法を説明している。米国特許第５，９５５，７４９号によれば、光結晶は、発光ダイオードの半導体層を完通する正孔の格子を形成することによって作り出される。正孔の格子は、周期的に変調された誘電率を有する媒体を作り出し、その媒体を通って光が伝播する方法に影響を与える。発光ダイオードの光子は、光子のエネルギ及び波長の間の関係を説明するそれらのスペクトル又は分散関係によって特徴付けることができる。この関係をプロットすることができ、バンドギャップによって隔てられたエネルギバンド又はフォトニックバンドから成るフォトニックバンド図をもたらす。フォトニックバンド図は、電子バンド図で表現されるような結晶格子の電子のスペクトルに類似するが、フォトニックバンド図は、電子バンド図とは無関係である。光結晶がＬＥＤに形成された場合、それは、光がその構造内を伝播する方法に影響を及ぼす。従って、適正な格子間隔が選択された場合は、そうでなかったら全反射によって構造内に捕捉されたであろう光は、今や脱出することができ、ＬＥＤの抽出を増大させる。また、代替の格子は、ＬＥＤ構造内の光子モード容積を低減することができ、ＬＥＤ活性層の放射率又は内部効率を増大させる。
【０００５】
光発生に対する光結晶の有用性を探求するために、米国特許第５，９５５，７４９号は、光結晶素子の理論的構造の部分的説明を与えている。
米国特許第５，９５５，７４９号は、ｎドープ層、活性層、ｐドープ層、及びこれらの層に形成された正孔の格子を説明している。しかし、米国特許第５，９５５，７４９号の装置は作動的ではなく、従ってＬＥＤではない。第１に、電極は、それが光結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）の正常作動に対して必要であるにも関わらず説明されていない。通常のＬＥＤにおける電極の製造は当業技術で公知であるが、ＰＸＬＥＤに対しては電極の製造もＰＸＬＥＤの作動に対するその影響も自明ではない。例えば、正孔の格子に電極層のマスクを適切に整列させることは、新しい製造技術を必要とするであろう。同じく電極は、それらが放出光子の一部分をＬＥＤ内に反射して戻し、放出光の別の部分を吸収するので抽出効率を低減すると一般的に考えられている。
【０００６】
第２に、米国特許第５，９５５，７４９号は、ＧａＡｓから光結晶発光装置を製造することを提案している。ＧａＡｓは、実際に通常のＬＥＤを製造するのに好都合であり、従って一般的な材料である。しかし、それは、例えば、Ｓ・チワリ著「化合物半導体素子物理学」、アカデミックプレス（１９９２年）によって説明されるように、約１０6ｃｍ／ｓｅｃの高い表面再結合速度を有する。表面再結合速度は、ダイオードの表面上の電子及び正孔の再結合の速度を表す。電子及び正孔は、ＬＥＤの接合領域に存在し、それぞれ、ｎドープ層及びｐドープ層から発している。電子及び正孔が電子バンドギャップに亘って再結合する時、再結合のエネルギは、光子の形で放出されて光を発生する。しかし、電子及び正孔が電子バンドギャップにおいて中間電子状態を通って再結合する時は、再結合エネルギは光子ではなく熱の形で放出され、ＬＥＤの発光効率を低減する。理想的な結晶においては、電子バンドギャップには何の状態も存在しない。同じく今日の高純度半導体結晶では、バルク材料における電子バンドギャップには非常に僅かな状態が存在するのみである。しかし、半導体の表面上には、一般的に多数の表面状態及び欠陥状態が存在し、その多くは電子バンドギャップにある。従って、表面に近い電子及び正孔の多くの部分は、これらの表面状態及び欠陥状態を通じて再結合することになる。この表面再結合は、光の代わりに熱を発生させ、ＬＥＤの効率を大幅に低減する。
【０００７】
この問題は、通常のＬＥＤ構造に対しては効率の深刻な損失をもたらすことはない。しかし、ＰＸＬＥＤは、多数の正孔を含み、従って、ＰＸＬＥＤは、通常のＬＥＤに比べて遙かに大きな表面積を有する。従って、表面再結合は、光結晶構造を持たない同じＬＥＤの効率以下にＰＸＬＥＤの効率を下げる可能性があり、光結晶構造の形成を無意味にする。ＧａＡｓは、高い表面再結合速度を有するので、光結晶ＬＥＤの製造に対しては期待できる候補ではない。問題の深刻さは、今までのところ、出願人の知るところでは、電気的に作動したＬＥＤで活性領域を通る光結晶を有し、ＧａＡｓを使用し、抽出又は内部効率を高めると主張するものは文献に報告されていないという事実が反映している。特に、米国特許第５，９５５，７４９号は、光結晶ＬＥＤの作動の成功を説明していない。また、米国特許第５，９５５，７４９号は、ＬＥＤの内部効率に影響を与える可能性がある放射過程に関する光結晶の影響を説明していない。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，９５５，７４９号
【特許文献２】米国特許出願出願番号第１０／０５９，５８８号
【非特許文献１】Ｓ・チワリ著「化合物半導体素子物理学」、アカデミックプレス、１９９２年
【非特許文献２】Ｒ・Ｋ・リー他著「２次元光バンドギャップ結晶スラブからの変更された自然放射」、米国光学学会誌Ｂ、第１７巻、１４３８ページ、２０００年
【非特許文献３】Ｇ・Ｂ・ストリングフェロー及びＭ・ジョージ・クラフォード著「高輝度発光ダイオード」、アソシエイテッド・プレス刊、１９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光結晶は、上述の理由で光抽出に対して期待することができるが、設計に伴う問題が存在する。半導体のスラブに形成された正孔の格子に関する実験を説明しているいくつかの文献がある。光バンドギャップにおける光子エネルギでの抽出率の向上は、Ｒ・Ｋ・リー他著「２次元光バンドギャップ結晶スラブからの変更された自然放射」、米国光学学会誌Ｂ、第１７巻、１４３８ページ（２０００年）に報告されている。リー他は、発光デザインにおける光結晶の抽出の利点を示すのみならず、光格子が自然放射に影響する可能性があることも示している。しかし、リー他は、このデザインを有する発光装置を形成して作動させる方法を示していない。光結晶ＬＥＤは、電極を含むことにより、リー他の発光デザインから形成することができる。しかし、電極の追加は、ＬＥＤの抽出及び自然放射に実質的に影響を与えることになる。この影響は未知であるから、ＬＥＤの設計において無視することはできない。リー他のデザインはそのような電極を含まないので、そのデザインから形成されたＬＥＤの全体的特性は未知数である。これは、リー他のデザインの有用性に疑問を呈する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の装置の実施形態によれば、光結晶構造は、ｎ型領域及びｐ型領域間に挟まれた活性領域を含むＩＩＩ族窒化物半導体構造のｎ型領域に形成される。反射体は、活性領域と反対側のｐ型領域の表面上に形成される。いくつかの実施形態では、ｎ型領域と、活性領域と、ｐ型領域とが成長する成長基板は、装置のｎ型領域に光結晶を形成することを容易にし、光結晶の下にあるｐ型領域の表面上に反射体を形成することを容易にするために除去される。光結晶及び反射体は、活性領域によって放射された光の制御を可能にすることができる共振空洞を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本明細書において引用により組み込まれる「光結晶構造を使用するＬＥＤ効率」という名称の２００２年１月２８日出願の米国特許出願出願番号第１０／０５９，５８８号により詳細に説明されているＩＩＩ族窒化物光結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）１００を示す。
図１のＰＸＬＥＤ１００においては、ｎ型領域１０８は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、又はＧａＮとすることができるホスト基板１０２の上に形成され、活性領域１１２は、ｎ型領域１０８の上に形成され、ｐ型領域１１６は、活性領域１１２の上に形成される。領域１０８、１１２、及び１１６のそれぞれは、同一又は異なる組成、厚み、又はドーパント濃度の単層又は多層とすることができる。ｐ型領域１１６及び活性領域１１２の一部は、ｎ型領域１０８の一部を露出させるためにエッチングして除去され、次に、ｐ接点１２０がｐ型領域１１６上に形成され、ｎ接点１０４がｎ型領域１０８の露出した部分の上に形成される。
【００１２】
活性領域１１２は、ｎ型領域１０８からの電子がｐ型領域１１６の正孔と結合して光子の形でエネルギを理想的に放出する接合領域を含む。活性層１１２は、光子の発生を最適化するように量子井戸構造を含むことができる。例えば、Ｇ・Ｂ・ストリングフェロー及びＭ・ジョージ・クラフォード著「高輝度発光ダイオード」、アソシエイテッド・プレス刊、１９９７年によって多くの異なる量子井戸構造が説明されている。図１のＰＸＬＥＤ１００の光結晶は、ＬＥＤにおいて正孔１２２−ｉの周期的構造を形成することによって作り出される。
【００１３】
図１に示す装置においては、通常のＩＩＩ族窒化物構造は、最初に、基板上に形成されたｎ型領域、続いて、活性領域及びｐ型領域を有して製造される。図１に示す光結晶素子及び米国特許第５，９５５，７４９号に説明されている装置は、いくつかの短所を有する可能性がある。第１に、図１の装置における光結晶構造は、例えば、周期的構造を形成するためにｐ型領域中へドライエッチングをすることによって形成することができる。ドライエッチングは、反応性イオン、誘導結合プラズマ、集束イオンビーム、スパッタ・エッチング、電子サイクロトロン共鳴、又は化学的に支援されたイオンビームエッチングとすることができる。ｐ型材料のドライエッチングは、エッチングが結晶に損傷を与え、ｎ型ドナーを作り出す空孔を引き起こす可能性があるので問題がある。ｐ型領域１１６にｎ型ドナーが存在すると、正孔濃度を低下させ、結晶への重大損傷の場合は、領域１１６の導電型をｎ型に変える可能性がある。本発明人は、ドライエッチングによって引き起こされた損傷は、エッチングされた領域周囲の局所的領域に限定されず、結晶のエッチングされなかった結晶領域を通って縦横方向に伝播する可能性があり、場合によってはｐ−ｎ接合を除去して装置を電気的に非作動状態にすることを見出した。米国特許第５，９５５，７４９号に説明されている装置はまた、ｐ型材料を通ってエッチングされ、従って、本発明人によって観察された同じ広範囲に及ぶ損傷を被る可能性がある。第２に、図１の装置及び米国特許第５，９５５，７４９号の装置の両方においては、光結晶構造を形成するために活性領域の部分が除去されるので活性領域材料の量を低減し、場合によっては装置中に発生した光の量を低減しかねない。同様に、量子井戸を通るエッチングは、表面再結合をもたらし、装置の効率を低下させかねない。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、光結晶は、成長基板が除去されたホスト基板に取り付けられたＩＩＩ族窒化物装置のｎ型層に形成される。そのような装置は、約２８０及び約６５０ｎｍ間の光を放出することができ、通常は約４２０及び約５５０ｎｍ間の光を放出する。図２は、本発明の実施形態の断面図である。図３は、図２の装置の平面図である。図２に示すように、光結晶１２２は、ｐ型領域１１６ではなくｎ型領域１０８に形成される。ｎ接点１０は、ｎ型領域１０８の光結晶できめが付けられていない領域上に形成されるが、他の実施形態では、ｎ接点１０は、ｎ型領域１０８の光結晶区域上に形成することができる。光結晶がｎ型領域に形成されるので、ｎ型材料は、光結晶１２２に対して接点１０から横方向に電流を注入することができる。光は、光結晶１２２を通って装置から抽出される。従って、ｎ接点１０の配置は、光結晶の面積を最大にするように選択される。例えば、図３に示すように、ｎ接点１０は、光結晶領域１２２−ｉを取り囲むことができる。ｎ接点１０は、リング接点に限定されるものではなく、適切な電流の広がりを容易にする格子又は他の構造とすることができる。光がｎ接点１０によって吸収されるのを回避するために、ｎ接点１０の下のエピタキシャル材料上に埋め込み又は誘電体を使用することができ、その区域に電流が流れること及び光が発生することを防止する。反射性ｐ接点１２は、ｐ型領域１１６上に形成される。図１に示す装置とは違って、図２の装置は、装置の反対側に形成されたｐ及びｎ接点を有する。ｐ接点１２は、エピタキシャル層２０をホスト基板１６に直接的又は任意的な結合層１４を通じて接続する。任意的な接点１８を装置層２０と反対側のホスト基板１６の表面上に形成してもよい。
【００１５】
図１３及び１４Ａ−１４Ｄは、本発明の代替実施形態を示す。図１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、及び１４Ｄは、図１３の断面図に示す軸線９０、９１、９２、及び９３のそれぞれに沿った切り取り平面図である。図１３の装置においては、ｐ及びｎ接点１２及び１０の両方は、装置のホスト基板側上にあり、図２及び３の装置におけるように上側ｎ接点による光の吸収を除去する。ｎ接点１０を作るために、１つ又はそれ以上のバイアが、ｐ型領域１１６及び活性領域１１２を通ってｎ型領域１０８まで下方にエッチングされる。ホスト基板構造４９は、ｐ及びｎ接点を電気的に絶縁するために層状構造の形で製造される。層状構造の例は、図１３の軸線９０、９１、９２、及び９３に沿ったホスト基板の平面図スライスを示す図１４Ａ−１４Ｄで示される。ｎ金属３０１及びｐ金属３０３は、ホスト基板の底部において正及び負の接点が分離されて他の構造に対して容易に半田付けすることができるようにルーティングされる。ｎ金属３０１及びｐ金属３０３は、誘電体３０５によって電気的に絶縁することができる。ＬＥＤの面積次第では、十分な電流の広がりを提供するために１つ又はそれ以上のｎ接点バイアが必要である場合がある。パターン付けされたＬＥＤのパターン付けされたホストへの結合は、フリップチップ結合装置を使用して達成することができる。
【００１６】
装置のエピタキシャル層をホスト基板に結合し、次に成長基板を除去することにより、ｎ型領域に装置の光結晶構造を形成することが可能になる。ｐ型領域ではなくｎ型領域内に光結晶をエッチングすることにより、上述のｐ型ＩＩＩ族窒化物に関連する型転換問題を回避する。同様に、エッチングによってｎ型領域内に導入された空孔は、材料の導電率に影響を与えない。更に、ｎ型領域１０８のフォトニック構造は、ｐ型領域１１６及び活性領域１１２から隔てられているので、フォトニック構造をエッチングすることに起因するこれらの領域に対する損傷も回避される。露出した上部ｎ型層は、活性領域の近くに光結晶を形成することを可能にする。表面再結合が小さな代替実施形態では、光結晶は、活性領域及びｐ型領域に侵入することができる。
【００１７】
代替的に、エピタキシャル層をホストに結合して次に成長基板を除去するのではなく、最初にｐ型領域を成長基板上に成長させ、続いて活性領域及びｎ型領域を成長させることにより、上部ｎ型領域が露出した装置を形成することができる。成長の難しさを無視すれば、これは、エッチングによる損傷が問題外であるように、ちょうど図２のように表面上にｎ型層を呈することになるであろう。ｐ−ＧａＮ層に対する接点は、メサをエッチングすることでｐ型層を最初に露出させることにより表面上に形成されるべきであろう。従って、電流は、抵抗性ｐ型層に沿って横方向に広がる必要があり、高い作動電圧を有する装置を作り出し、多くの用途に対して望ましくない結果をもたらすであろう。代替的に、基板は、作動電圧が高くないようにこの構造から除去することができる。これは、最初にホストを上部ｎ型層に結合し、その後、成長基板を除去することによって為される。次に、エッチングは、初期成長層を除去するように行われてｐ型領域を露出させる。続いて、第２ホストとの第２結合段階が、この時点で露出したｐ型層上で達成される。第１のホストは除去され、光結晶を形成するためのｎ型領域を再露出させる。得られる構造は、図２と同じである。
【００１８】
光結晶構造は、交互する最大及び最小を有するｎ型領域１０８の厚みの周期的変動を含むことができる。例としては、正孔１２２のグレーティング（一次元格子）又は平面格子（２次元格子）がある。格子は、孔径ｄ、最の近い隣接正孔の中心間距離の尺度である格子定数ａ、正孔の深さｗ、及び正孔に配置された誘電体の誘電率εhによって特徴付けられる。パラメータａ、ｄ、ｗ、及びεhは、バンドの状態の密度、特に光結晶のスペクトルのバンドエッジにおける状態の密度に影響を与える。パラメータａ、ｄ、ｗ、及びεhは、従って、装置によって放出された放射パターンに影響を与え、装置からの抽出効率を増強するように選択することができる。代替的に、適切な光結晶パラメータが選択される場合、放出された光の放射パターンを狭めることができ、ＬＥＤの放射輝度を増大させる。これは、特定角度のみでの光が有用である用途に役立つ。一実施形態では、光結晶パラメータは、装置を出る放射の５０％を超えるものが装置表面と直角の軸線に対して４５度の角度によって形成された出口円錐に放射されるように選択される。
【００１９】
正孔１２２−ｉは、三角形、四角形、六角形、亀甲模様、又は他の公知の２次元格子タイプを形成するように配置することができる。いくつかの実施形態では、異なる種類の格子が装置の異なる領域に形成される。正孔１２２−ｉは、円形、四角形、六角形、又は他の断面を有することができる。いくつかの実施形態では、格子間隔ａは、約０．１λ及び約１０λの間、好ましくは、約０．１λ及び４λの間であり、ここで、λは、活性領域によって放出された光の装置内の波長である。いくつかの実施形態では、正孔１２２は、約０．１ａ及び約０．５ａの間の直径ｄを有することができ、ここで、ａは格子定数である。正孔１２２−ｉは、空気又は多くの場合に約１及び約１６の間の誘電率εhの任意的な誘電体１１（図２）で充填することができる。可能な誘電体は、酸化珪素を含む。
【００２０】
光結晶１２２及び反射性ｐ接点１２からの光結晶の反射は、ＧａＮ共振空洞を形成する。この共振空洞は、優れた光制御をもたらす。ＧａＮ共振空洞が薄くされる時に、光学モード容積は低減される。共振空洞中に捕捉することができる導波モードが少なくなると、光が装置を出て行く機会を増大させる。これは、以下の議論で説明することができる。光結晶は、導波モードを結晶から外へ散乱させることによって導波モードに影響することができる。導波モード数が低減される時に、それだけＬＥＤの光抽出が効率的になる。例えば、エピタキシャル層がただ１つの導波モード（ｍ）をサポートするのに必要なだけの薄さである場合、最初に５０％の光がＧａＮを出て行く（Ｌout）ことになり、５０％はエピタキシャル層中に導波される（Ｌin）ことになるであろう。この説明に関して、この導波された光の追加の４０％を抽出することができる（Ｓeff）光結晶が形成されると仮定する。抽出効率（Ｃext）は、以下のように書くことができる。
Ｃext＝Ｌout＋ｍ*（Ｌin×Ｓeff）
従って、この構造の抽出効率は、５０％＋１*（５０％*４０％）＝７０％である。これを、Ｓeff＝４０％を再び用い、光結晶で４導波モードをサポートするエピタキシャル構造と比較する。光が全てのモードへ等しく進入する場合、１つの出口モードを含むそれぞれのモードは、光の２０％を有する。この構造は、２０％＋４*（２０％*４０％）＝５２％の抽出効率を有するのみであろう。この説明に関して、光結晶は、１００％有効に光を外に散乱させてはいない。いくつかの実施形態では、光結晶は、十分深くエッチングされて適切な格子寸法を有し、その結果、光バンドギャップは、導波モードを禁止するＬＥＤの平面中に作り出される（Ｓeff＝１００％）。エピタキシャル層が薄くなればなるだけ、光バンドギャップを作り出すことは容易になる。共振空洞の厚み（つまり、エピタキシャル層２０の厚み）は、エピタキシャル層の厚みが、導波モード数を低減するためにはできるだけ薄く、しかし、電流を効率的に広げるためには十分に厚いように選択される。多くの実施形態では、エピタキシャル層２０の厚みは、約１μｍよりも小さく、好ましくは約０．５μｍよりも小さい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、エピタキシャル層２０の厚みは、４５０ｎｍ光を放出する装置に対しては約λ及び約５λの間、すなわち、約０．１８μｍ及び約０．９４μｍの間である。正孔１２２は、約０．０５λ及びｎ型領域１０８の全厚みの間の深さを有する。一般的に、正孔１２２は、完全にｎ型領域１０８内部に形成されて活性領域には侵入しない。ｎ型領域１０８は、通常は約０．１ミクロン又はそれ以上の厚みを有する。正孔１２２の深さは、正孔１２２の底部が活性領域に侵入することなく可能な限り活性領域の近くに配置されるように選択される。代替実施形態では、光結晶は、活性層及びｐ型層に侵入する。
【００２２】
装置から放出された放射パターンは、格子の種類、活性領域と光結晶の間の距離、格子パラメータａ、直径ｄ、深さｗ、及びエピタキシャル厚み（２０）を変えることによって調整することができる。格子パラメータａ及び直径ｄは、図１５に示されている。いくつかの実施形態では、放射パターンは、選択された方向に優先的に光を放出するように調節することができる。
いくつかの実施形態では、周期的構造は、１つ又はそれ以上の選択された半導体層の厚みの変動である。この周期的構造は、半導体層の平面内の一方向に沿った厚みの変動であるが、第２の方向に沿っては変動なく延び、要するに一組の平行な溝を形成するような変動を含むことができる。厚みの２次元的周期的変動は、様々な窪みの格子を含む。
【００２３】
図２及び３に示す装置は、図４に示す方法によって製造することができる。段階３１において、図２のエピタキシャル層２０は、従来の成長基板上に成長する。このエピタキシャル層は、次に段階３３において、成長基板を段階３５で除去することができるようにホスト基板に取り付けられる。このエピタキシャル層は、任意的な段階３７において薄層化することができ、その後、光結晶構造が、段階３９でエピタキシャル層の露出した表面上に形成される。
【００２４】
図５は、図４の段階３１をより詳細に示す。図２の装置のエピタキシャル層２０は、サファイア、ＳｉＣ、又はＧａＮのような基板４０上に成長する。適切な成長基板を形成するために、最初に基板４０上に例えばバッファ層又は核生成層を含むことのできる任意的な準備層４１を成長させることができる。１つ又はそれ以上の任意的なエッチング停止層４２を続いて成長させることができる。エッチング停止層４２は、以下に説明するように、成長基板取外しを容易にし、又はエピタキシャル層の薄層化を容易にすることができる。エピタキシャル層２０は、エッチング停止層４２の上に成長し、ｎ型領域１０８、活性領域１１２、及びｐ型領域１１６を含む。通常は、ｎ型領域が最初に成長させられ、活性領域及びｐ型領域がその後に続く。多くの場合、反射性ｐ接点１２は、ｐ型領域１１６の表面上に形成される。ｐ接点１２は単層でもよく、オーム接触層、反射層、及び保護金属層のような複数の層を含むこともできる。反射層は、通常は銀又はアルミニウムである。保護金属層は、例えば、ニッケル、チタン、又はタングステンを含むことができる。この保護金属は、特に銀反射層の場合は、反射金属層が移動しないように、また、ホスト基板にエピタキシャル構造を結合するために使用される結合層１４Ａに対する接着層をもたらすように選択することができる。
【００２５】
図６は、ホスト基板にエピタキシャル層を取り付ける図４の段階３３をより詳細に示す。一般的には金属である結合層１４Ａ及び１４Ｂは、エピタキシャル構造及びホスト基板間の熱圧縮又は共晶接合に対する馴染みやすい材料としての役割を果たす。適切な結合層材料の例は、金及び銀を含む。ホスト基板１６は、成長基板が除去された後にエピタキシャル層に機械的支持を提供し、ｐ接点１２に対して電気接点を提供する。ホスト基板１６は、電気的に導電性であり（すなわち、約０．１Ωｃｍよりも小さい）、熱的に伝導性であり、エピタキシャル層のそれに一致した熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、強固なウェーハ結合を形成するに足る平坦さ（つまり、約１０ｎｍよりも小さい二乗平均平方根荒さを有する）であるように選択される。適切な材料は、例えば、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｕ／Ｍｏ、及びＣｕ／Ｗのような金属と、例えば、Ｐｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇの１つ又はそれ以上を含むオーム接触を有するＳｉ及びオーム接触を有するＧａＡｓのような、金属接点（図６の層４６及び１８）を有する半導体と、圧縮されたダイヤモンドのようなセラミックとを含む。下表は、比較のためのＧａＮ及びＡｌ2Ｏ3の特性と併せて、いくつかの適切なホスト基板の特性を列挙する。
【００２６】
2005317959.tif 000003
【００２７】
ホスト基板構造４９及びエピタキシャル構造４８は、結合層１４Ａ及び１４Ｂ間に耐久性のある金属結合を形成するために高温及び圧力下で互いに押付けられる。いくつかの実施形態では、結合段階は、エピタキシャル構造を有するウェーハが個々の装置へとダイス・カットされる前にウェーハスケール上で為される。結合用の温度及び圧力範囲は、下限に関しては得られる結合の強さにより、上限に関してはホスト基板構造及びエピタキシャル構造の安定性によって制限される。例えば、高温及び／又は高圧は、構造４８中のエピタキシャル層の分解、ｐ接点１２の層間剥離、例えば、ｐ接点１２における拡散障壁の故障、又はエピタキシャル層における構成要素材料の脱ガスを引き起こす可能性がある。適切な温度範囲は、例えば、約２００℃から約５００℃である。適切な圧力範囲は、例えば、約１００ｐｓｉから約３００ｐｓｉである。
【００２８】
図７は、図４における段階３５、すなわち、サファイア成長基板を除去する方法を示す。サファイア基板４０及びＩＩＩ族窒化物層４５の間の界面部分は、サファイア基板を通して、「ステップ・アンド・リピート」パターンで高フルエンスパルスの紫外線レーザ７０に露出される。レーザの光子エネルギは、サファイア（いくつかの実施形態ではＧａＮ）に隣接したＩＩＩ族窒化物層のバンドギャップよりも上であり、従って、パルスエネルギは、サファイアに隣接したエピタキシャル材料の最初の１００ｎｍ内で熱エネルギに実質的に転換される。十分に高いフルエンス（すなわち、約１．５Ｊ／ｃｍ2よりも大きい）、及びＧａＮのバンドギャップよりも上でサファイアの吸収エッジよりも下（つまり、約３．４４及び約６ｅＶの間）の光子エネルギの下では、最初の１００ｎｍ内の温度は、ナノ秒スケールで、ＧａＮがガリウムガス及び窒素ガスに解離するのに十分な高さの１０００℃よりも高い温度に上昇し、エピタキシャル層４５を基板４０から取り除く。得られる構造は、ホスト基板構造４９に結合されたエピタキシャル層４５を含む。
【００２９】
レーザパルスに露出させると、大きな温度勾配及び露出領域から外へ進行する機械的衝撃波をもたらし、エピタキシャル材料内に基板除去処理の収率を制限するエピタキシャル材料の亀裂及びウェーハ結合１４の故障を引き起こすのに十分な熱的及び機械的応力をもたらす。熱的及び機械的応力は、ウェーハ上の個々の装置間に溝を形成するように、エピタキシャル構造をサファイア基板まで下方に又はエピタキシャル構造の適切な深さまで下方にパターン形成することにより低減することができる。この溝は、ウェーハがホスト基板構造に結合される前に従来のマスキング及びドライエッチング技術によって形成される。レーザ露出領域は、その後、ウェーハ上の溝のパターンと合わせられる。この溝は、露出されている半導体領域に対するレーザパルスの衝撃を隔離する。
【００３０】
サファイア以外の成長基板は、通常の化学的エッチャントで除去することができ、従って、上述のレーザ露出基板除去手順を不要にすることができる。例えば、適切な成長基板は、Ｓｉ又はＳｉＯXの厚い層上に成長した又はそれに対して処理されたＳｉＣの薄い層を含むことができる。このＳｉベース層及び／又は酸化物層は、従来のシリコン処理技術によって容易に除去することができる。残るＳｉＣ層は、公知のエッチング技術によって完全に除去されるように十分に薄くすることができる。ｎ接点１０は、その後、エピタキシャル層の露出した表面上に形成することができる。代替的に、ｎ接点１０は、ＳｉＣ層における正孔に形成することができる。
【００３１】
成長基板が除去された後、残るエピタキシャル層は、光結晶及びｐ接点１２の間に最適深さ及び通常は約２０ｎｍよりも小さい厚み変動を有する均一厚みの共振空洞を形成するために、必要に応じて薄層化することができる。エピタキシャル層は、例えば、化学機械研磨、従来のドライエッチング、又は光電気化学エッチング（ＰＥＣ）によって薄層化することができる。ＰＥＣは、図８に示されている。
図８に示すように、ホスト基板及びエピタキシャル層（構造５３）は、塩基性溶液５０中に浸漬される。適切な塩基性溶液の例は、０．１ＭのＫＯＨであるが、多くの他の適切な塩基性溶液を使用することができ、一般的に、エッチングされる材料の組成次第である。構造５３のエピタキシャル表面は、多くの場合にｎ型ＧａＮ層であるが、表層のバンドギャップよりも大きいエネルギを有する光に露出される。図８に示す例においては、約３６５ｎｍの波長、及び約１０及び約１００ｍＷ／ｃｍ2間の強度を有する紫外線が使用される。光に露出されると、表面半導体層に電子−正孔対を発生させる。正孔は、ｎ型半導体における電界の影響の下でエピタキシャル層の表面に向けて移動する。正孔は、続いて表面にあるＧａＮ及び塩基性溶液５０と反応し、２ＧａＮ＋６ＯＨ-＋６ｅ+＝２Ｇａ（ＯＨ）3＋Ｎ2という式に従ってＧａＮ結合を壊す。外部電子電位は、エッチング処理の加速及び制御を行うために電極５１及び５２間に印加することができる。
【００３２】
いくつかの実施形態では、エッチング停止層は、図４で上述のようにエピタキシャル層に組み込まれる。エッチング停止層は、エッチングされる層よりも大きなバンドギャップを有することができる。例えば、エッチングされた層は、ＧａＮとすることができ、エッチング停止層は、ＡｌＧａＮとすることができる。構造５３を露出するために使用された光源は、エッチングされる層のバンドギャップよりも大きいがエッチング停止層のバンドギャップよりは小さいエネルギを有するように選択される。従って、光へ露出させてもエッチング停止層に電子−正孔対を発生させることなく、エッチング停止層に到達すると実質的にエッチングを停止させる。いくつかの実施形態では、エッチング停止層としてＩｎＧａＮを使用することができる。ＩｎＧａＮが分解すると形成される酸化インジウムは、エッチャント溶液に不溶性であり、エッチングされた層の表面を被覆してエッチングを終結させる。
【００３３】
図２に示す実施形態は、光結晶領域において及び接点１０の下にある領域において同じ厚みを有するｎ型領域を示すが、いくつかの実施形態では、薄層化段階の間に三次元構造をｎ型領域１０８上に形成することができる。例えば、ｎ型領域１０８は、共振空洞の厚みを最小にするために接点１０の下にある部分が光結晶を形成する部分よりも厚く、同時に妥当な電流の広がり、最適な接触抵抗、及び機械的強度に対して十分なｎ型材料を接点１０の下にもたらすようにパターン形成することができる。
【００３４】
薄層化の後に、光結晶構造は、エピタキシャル層の露出した表面上に形成される。図９−１２は、図２の装置の光結晶構造を製造する方法を示す。１つ又はそれ以上のレジスト、金属、又は誘電体層２０２は、図９に示すようにエピタキシャル層の上面の上に形成される。レジスト層２０２は、電子ビームリソグラフィ、ナノ−インプリント・リソグラフィ、深層Ｘ線リソグラフィ、インターフェロメトリック・リソグラフィ、ホットエンボス加工、又はマイクロコンタクト印刷のような高解像度リソグラフィ技術を使用して、図１０の開口部の格子を形成するためにパターン形成される。図１１においては、エピタキシャル層２００は、公知のエッチング技術を使用してエッチングされる。ドライエッチングによって引き起こされた損傷は、その後の短時間湿式化学エッチング、焼き鈍し、その組合せ、又は他の表面安定化技術によって緩和することができる。残るレジスト層２０２は、その後、図１２において除去される。エピタキシャル横方向過成長のような光結晶を形成するための他の技術は、「光結晶構造を使用するＬＥＤ効率」という名称の米国特許出願出願番号第１０／０５９，５８８号により詳細に説明されている。図２に示すように、露出したｎ型層の表面の部分は、ｎ接点１０を平面層上に形成することができるように、光結晶できめを付けることができない場合がある。光結晶が形成された後に、ｎ接点１０は、従来の技術によって成長させられる。
【００３５】
図１６Ａ及び１６Ｂは、光結晶を形成するための代替方法を示す。成長基板を除去した後に光結晶をエッチングするのではなく、埋め込まれた光結晶がエピタキシャル成長の間に形成される。図１６Ａにおいて、エピタキシャル成長は、活性領域が成長する前に停止される。光結晶は、その後、例えばエッチングにより、図９−１２で上述のようにｎ型領域１０８に形成される。材料は、その後、成長反応炉内に戻され、最初に、多くの場合ＧａＮである平滑化ｎ型層３１０が成長する。光結晶の正孔の深さは、孔径よりも大きい。平滑化層３１０の成長パラメータは、横方向の成長が縦方向の成長よりも迅速であるように選択され、光結晶の正孔が充填されないことを保証する。平滑化層３１０がｎ型領域１０８において光結晶正孔の上で閉じた状態で、活性領域１１２及びｐ型領域１１６が成長する。その後、ｐ型領域１１６上に接点を形成することができ、成長基板が上述のように除去される。
本発明を詳細に説明したが、本発明の開示により、本明細書に説明した本発明概念の精神から逸脱することなく本発明に対して変更を為し得ることを当業者は認めるであろう。従って、本発明の範囲が図示及び説明した特定の実施形態に限定されることは意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】光結晶発光ダイオードの断面図である。
【図２】成長基板を欠いた光結晶発光装置の実施形態の断面図である。
【図３】図２の装置の平面図である。
【図４】図２の装置を製造する方法を示す図である。
【図５】ホスト基板に結合する前のエピタキシャル構造を示す図である。
【図６】ホスト基板にエピタキシャル構造を結合する方法を示す図である。
【図７】ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル構造からサファイア基板を除去する方法を示す図である。
【図８】成長基板除去後にエピタキシャル構造を薄くする光電気化学エッチングを示す図である。
【図９】光結晶構造を形成する方法を示す図である。
【図１０】光結晶構造を形成する方法を示す図である。
【図１１】光結晶構造を形成する方法を示す図である。
【図１２】光結晶構造を形成する方法を示す図である。
【図１３】本発明の代替実施形態を示す図である。
【図１４】Ａ−Ｄは、図１３の装置の切り取り平面図である。
【図１５】正孔の平面格子を含む光結晶構造の平面図である。
【図１６Ａ】光結晶構造を形成する方法を示す図である。
【図１６Ｂ】光結晶構造を形成する方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ｎ接点
１６  ホスト基板
２０  エピタキシャル層
１０８  ｎ型領域
１１２  活性領域
１１６  ｐ型領域
１２２−ｉ  光結晶領域
【図１】
2005317959.tif 000004
【図２】
2005317959.tif 000005
【図３】
2005317959.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005317959.tif 000009
【図７】
2005317959.tif 000010
【図８】
2005317959.tif 000011
【図９】
2005317959.tif 000012
【図１０】
2005317959.tif 000013
【図１１】
2005317959.tif 000014
【図１２】
2005317959.tif 000015
【図１３】
2005317959.tif 000016
【図１４】
2005317959.tif 000017
【図１５】
2005317959.tif 000018
【図１６Ａ】
2005317959.tif 000019
【図１６Ｂ】
2005317959.tif 000020
【外国語明細書】
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2005317959.tif 000022
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