(57)【要約】高効率微小ＬＥＤ（１００）のアレイ及び製造方法を記載する。各微小ＬＥＤ（１００）はメサ部（１０５）の集積ダイオード構造であり、最適効率が得られるメサ形状及び発光領域（１０４）を選択する。単一の微小ＬＥＤ（１００）は基板（１０１）及び半導体層（１０２）上にメサ部（１０３）、発光層（１０４）及び電気接点（１０６）を有する。このデバイスの微小ＬＥＤは、その形状故に非常に高いＥＥを有する。光はその光が脱出する確率を強くする形状のメサ部内で発生する。非常に高いＥＥは、特に高いアスペクト比を有する準放物面メサ形状により達成される。メサ部の上部は発光層（ＬＥＬ）の上側で切頭化され、半導体メサ部の上に電気接点（１０６）のための平坦面が提供される。上部接点の反射率の値が良好な限り、効率が高いことが分かっている。また、接点（１０６）の占有面積が上部切頭メサ部表面積の１６％未満である場合に、効率が特に高いことが分かっている。この特徴は、デバイスがＬＥＤの場合に、指向性がより強いビームの実現を容易にする。
2006525669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構造のメサ部に活性層を囲む半導体ダイオードからなる光学デバイスであって、
前記メサ部が、透光面又は受光面の反対側に切頭化した上部を有し、
前記メサ部が、ＡＣを前記活性層の高さにおける断面積としかつＨ３を前記メサ部の高さとしたとき、０．５より大きいアスペクト比（（Ｈ３）×（Ｈ３）／ＡＣ）を有し、
前記メサ部の側壁が、前記活性層周辺部の相当部分に沿って前記活性層と角度α＝４５°／（＋／−２０°）で交差し、それにより前記メサ部が、前記デバイス内で発生し又は検出される光の反射エンクロージャを形成する準放物面形状を有することを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記活性層の高さにおける前記メサ部の断面積（ＡＣ）が１００μｍ２未満であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記メサ部のアスペクト比（（Ｈ３）×（Ｈ３）／ＡＣ)が３より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記メサ部のアスペクト比（（Ｈ３）×（Ｈ３）／ＡＣ)が８より大きいことを特徴とする請求項３に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記切頭上部に電気接点を更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記電気接点の占有面積が前記切頭上部の面積の１６％未満であることを特徴とする請求項５に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記メサ部の側壁が湾曲しており、該側壁の角度αが、前記活性層から前記透光面又は受光面に向けて連続的に増加していることを特徴とする請求項１乃至６に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記メサ部の断面積（ＡＣ）の形状が矩形であり、その長さが幅の２倍以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記活性層がＩｎＧａＮ材料からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記活性層がＩｎＧａＡｓ材料からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記活性層がＩｎＧａＡｓＰ材料からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記活性層がＺｎＣｄＳｅＴｅ材料からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記メサ部の高さ（Ｈ３）が５μｍより大きいことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１４】
前記活性層が発光層であり、前記デバイスがＬＥＤであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１５】
前記活性層が検出層であり、前記デバイスがフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１６】
前記デバイスがダイオードのアレイからなることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の光学デバイス。
【請求項１７】
前記アレイが、個々のダイオード又はダイオードのクラスタが個別にアドレス可能であるような導体からなり、それによりアドレス可能なＬＥＤ又はＰＤアレイを形成することを特徴とする請求項１６に記載の光学デバイス。
【請求項１８】
ダイオードのメサ部が占めるデバイス面積が１０ｍｍ２より大きく、取り出した全光の８０％以上が背面を通して取り出され、前記デバイスがスケーラブルでありかつ単一のアレイチップからの高い光出力に適していることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の光学ダイオードアレイ。
【請求項１９】
ダイオードのメサ部が占める面積が１００ｍｍ２より大きいことを特徴とする請求項１８に記載の光学ダイオードアレイ。
【請求項２０】
前記アレイがフリップチップとして形成され、ヒートシンク上に取り付けられることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の光学ダイオードアレイ。
【請求項２１】
請求項１６乃至２０のいずれかに記載されるダイオードアレイを製造する方法であって、
単一のリソグラフィ工程の後に、追加のリソグラフィを行うことなく、次の３つの工程即ち、前記半導体メサ部のエッチング、メサ部側壁絶縁被膜の塗布、及び前記メサ部の上部への前記電気接点の付着を行うことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記半導体メサ部のエッチングのためのエッチングマスクが複数の層からなる多層膜からなり、かつ前記メサ部のエッチング工程の後に１つ又は複数の層を選択的にエッチングして、次の被膜の剥離によるパターンの画定に適したオーバーハング形状を作成することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記半導体メサ部の所望の輪郭形状を提供するエッチングの前に、前記エッチングマスクをリフローすることを特徴とする請求項２１又は２２に記載のダイオードアレイの製造方法。
【請求項２４】
前記多層エッチングマスクが２倍の高さのレジストからなることを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
Ｄ１／Ｄ２比を減少させる追加の酸素プラズマ工程を有することを特徴とする請求項２１乃至２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
発光波長において８０％を超える反射率を有する上部電気接点を付着させる工程を有し、前記反射率が半導体対接点界面においてかつ垂直入射で測定されるものであることを特徴とする請求項２１乃至２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記電気接点及びフリップチップボンディングメタライズ部が、追加のリソグラフィ工程を行うことなく、全部１つの工程で付着されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
添付図面に関連して実質的に本明細書に記載される製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びフォトダイオード（ＰＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤは電気エネルギを光学エネルギに変換し、かつＰＤは光学エネルギを電気エネルギに変換する。本明細書は、本願発明をＬＥＤに関するものとして説明しているが、本発明は逆のＰＤの動作にも適用し得ることが容易に理解される。
【０００３】
半導体ＬＥＤでは、光が通常、ｎ型ドープ半導体層から生じる電子とｐ型ドープ半導体層から生じる正孔との再結合により発生する。いくつかの赤外線発光半導体材料では、電子正孔遷移よりもむしろ電子のサブバンド間遷移により、光を発生させることができる。本明細書では、主要な光の発生が生じる領域を発光層（ＬＥＬ）と称する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
主要な問題は、発生させた光を半導体材料から、通常は空気である周囲の媒体中にできる限り多く取り出すことである。これは、半導体の表面における全内面反射により妨げられる。
【０００５】
従来の立方体形状のＬＥＤチップでは、半導体内部における光線の平均経路長が長く、発生させた光線の、脱出する前における半導体表面での平均反射数が高い。長い経路長及び金属被覆半導体表面における反射双方が吸収損に繋がる。脱出する光は、大部分がチップの側部を通って脱出するので、この光を利用可能な光ビームに集めるのに外部のミラーが必要である。別の方法はチップ整形と呼ばれている。この方法によって、より高い取り出し効率（ＥＥ）が可能である。しかしながら、これによって半導体チップ内の長い経路長や、外部ミラーの必要性が解消されることはない。また、この技術は、広く使用されている窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの材料系にあまり適していない。この理由は、ＧａＮベースのＬＥＤチップに一般に使用されているサファイア基板及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板が双方とも非常に硬質の材料で、例えばダイシングソーを用いて機械的に成形することが非常に困難なためである。これらの材料系では、チップ全体を成形することが実用的な解決策であるとは思われない。
【０００６】
高いＥＥを達成する別の方法は、「微小ＬＥＤ」のアレイを提供することであり、それによってデバイス内部の平均経路長を短く維持する。このような構成が、米国特許第０６４１０９４０号及び米国特許第６４１０９４２号明細書に記載されている。
【０００７】
しかしながら、ＥＥ及び発生する光ビームの指向性には、これを改善する十分な余地がある。また、構造体の製造方法を改善することが要求されている。これらが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、半導体構造のメサ部に活性層を囲む半導体ダイオードからなる光学デバイスであって、
前記メサ部が、透光面又は受光面の反対側に切頭化した上部を有し、
前記メサ部が、ＡＣを前記活性層の高さにおける断面積としかつＨ３を前記メサ部の高さとしたとき、０．５より大きいアスペクト比（（Ｈ３）×（Ｈ３）／ＡＣ）を有し、
前記メサ部の側壁が、前記活性層周辺部の相当部分に沿って前記活性層と角度α＝４５°／（＋／−２０°）で交差し、それにより前記メサ部が、前記デバイス内で発生し又は検出される光の反射エンクロージャを形成する準放物面形状を有する光学デバイスが提供される。
【０００９】
ある実施例では、前記活性層の高さにおける前記メサ部の断面積（ＡＣ）が１００μｍ２未満である。
【００１０】
或る実施例では、前記メサ部のアスペクト比（（Ｈ３）×（Ｈ３）／ＡＣ）が３より大きい。
或る実施例では、前記メサ部のアスペクト比（（Ｈ３）×（Ｈ３）／ＡＣ）が８より大きい。
【００１１】
或る実施例では、前記メサ部が更に切頭上部の上に電気接点を有する。
【００１２】
或る実施例では、前記電気接点の占める面積が切頭上部の面積の１６％未満である。
【００１３】
或る実施例では、前記メサ部の側壁が湾曲しており、該側壁の角度αが、前記活性層から前記透光面又は受光面に向けて連続的に増加している。
【００１４】
或る実施例では、前記メサ部の断面積（ＡＣ）の形状が矩形であり、その長さが幅の２倍以上である。
【００１５】
別の実施例では、前記活性層がＩｎＧａＮ材料からなる。
或る実施例では、前記活性層がＩｎＧａＡｓ材料からなる。
或る実施例では、前記活性層がＩｎＧａＡｓＰ材料からなる。
或る実施例では、前記活性層がＺｎＣｄＳｅＴｅ材料からなる。
【００１６】
更に別の実施例では、前記メサ部の高さ（Ｈ３）が５μｍより大きい。
【００１７】
或る実施例では、前記活性層が発光層であり、前記デバイスがＬＥＤである。
或る実施例では、前記活性層が検出層であり、前記デバイスがフォトダイオードである。
【００１８】
或る実施例では、前記デバイスがダイオードのアレイからなる。
或る実施例では、前記アレイが、個々のダイオード又はダイオードのクラスタが個別にアドレス可能であるような導体からなり、それによりアドレス可能なＬＥＤ又はＰＤアレイを形成する。
【００１９】
或る実施例では、ダイオードのメサ部が占めるデバイス面積が１０ｍｍ２より大きく、取り出した全光の８０％以上が背面を通して取り出され、前記デバイスがスケーラブルでありかつ単一のアレイチップからの高い光出力に適している。
或る実施例では、ダイオードメサ部が占める面積が１００ｍｍ２より大きい。
【００２０】
或る実施例では、前記アレイがフリップチップとして構成され、ヒートシンク上に取り付けられる。
【００２１】
また、本発明によれば、上述したダイオードアレイを製造する方法であって、
単一のリソグラフィ工程の後に、追加のリソグラフィを行うことなく、次の３つの工程即ち、前記半導体メサ部のエッチング、メサ部側壁絶縁被膜の塗布、及び前記メサ部の上部への前記電気接点の付着を行う方法が提供される。
【００２２】
或る実施例では、前記半導体メサ部のエッチングのためのエッチングマスクが複数の層からなる多層膜からなり、かつ前記メサ部のエッチング工程の後に１つ又は複数の層を選択的にエッチングして、次の被膜の剥離によるパターンの画定に適したオーバーハング形状を作成する。
【００２３】
或る実施例では、前記半導体メサ部の所望の輪郭形状を提供するエッチングの前に、前記エッチングマスクをリフローする。
【００２４】
或る実施例では、前記多層エッチングマスクが２倍高さのデジストからなる。
【００２５】
或る実施例では、前記方法が、Ｄ１／Ｄ２比を小さくする追加の酸素プラズマ工程を有する。
【００２６】
或る実施例では、発光波長において８０％を超える反射率を有する上部電気接点を付着させる工程を有し、前記反射率が半導体対接点界面においてかつ垂直入射で測定されるものである。
【００２７】
或る実施例では、前記電気接点及びフリップチップボンディングメタライズ部が、追加のリソグラフィ工程を行うことなく、全部１つの工程で付着される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、添付図面を参照しつつ、以下に単なる実施例として記載される本発明のいくつかの実施態様の詳細な説明からより明確に理解することができる。
【００２９】
本発明によれば、１個の高効率微小ＬＥＤ又はそのアレイからなる光学デバイスと、製造方法とが提供される。各微小ＬＥＤは、メサ形状をなす集積ダイオード構造であり、そのメサ形状及び発光領域は最適効率が得られるように選択される。以下の説明は、素子のアレイを有するデバイスについてであり、前記素子は、フォトダイオードよりもむしろ発光ダイオードである。
【００３０】
図１及び図２に関し、単一の微小ＬＥＤ１００は、基板１０１及び半導体層１０２上にメサ部１０３、発光層１０４及び電気接点１０６を有する。このデバイスの微小ＬＥＤは、その形状が故に非常に高いＥＥを有する。光は、光が脱出する確率を強くするような形状にした前記メサ部内で発生する。非常に高いＥＥは、特に高いアスペクト比を有する準放物面状のメサ部によって達成される。前記メサ部の上部は発光層（ＬＥＬ）より上側が切頭化され、半導体メサ部の上に電気接点１０６のための平坦面を設けている。上部接点の反射率が良好な値を有する限り、ＥＥは高いことが分かっている。また、電気接点１０６の占有面積が、上部切頭メサ部の表面積の１６％未満である場合には、効率が特に高いことが分かっている。また、この特徴は、前記デバイスがＬＥＤである場合に、より指向性の強いビームを実現することを容易にする。
【００３１】
図５及び図６から明らかなように、高いアスペクト比を有することは効果的である。これは、好ましくは０．５より大きく、より好ましくは３より大きく、最も好ましくは８より大きい。アスペクト比は、Ｈ３／Ｄ４、Ｈ４／Ｄ４、及び（（Ｈ３）×（Ｈ３）／ＡＣ）に基づいて様々に計算される。先の２つはモデリングのために使用され、後者は物理的なデバイスの可測寸法に基づいて測定可能なものとして使用される。実際、３つ全部の定義から非常に似た結果が得られる。
【００３２】
或る実施例では、光がＧａＮベースの微小ＬＥＤで発生し、かつ光はサファイア基板を通って効率良く発出する。また、前記微小ＬＥＤの形状によって、各微小ＬＥＤからの光に強い指向性をもたせることができ、これはファイバ又は導波管への光結合のような多くの用途において有利である。本実施例では可視光の発光を使用したが、本発明はまた、スペクトルの不可視領域即ち紫外領域又は赤外領域で発光するＬＥＤについても適用される。また、本実施例では透光性サファイア基板が使用されるのに対し、本発明は別個の基板が存在しないような場合についても有効である。
【００３３】
図１及び図２に関し、前記アレイの微小ＬＥＤ１は次のような領域を有する。
Ｄ１：上部電気接点の直径
Ｄ２：切頭化した半導体メサ部の上部の直径
Ｄ３：ＬＥＬの直径
Ｄ４：放物面の焦点面（焦点面は焦点と交差する水平面である）の直径
Ｄ５：半導体メサ部の底部の直径
Ｈ１：前記メサ部の底部より上の放物面状焦点面の高さ
Ｈ２：前記メサ部の底部より上のＬＥＬ層の高さ
Ｈ３：前記メサ部の底部より上の切頭上部の高さ
Ｈ４：前記メサ部の底部より上の放物面の頂点の高さ
ＡＣ：前記ＬＥＬの高さにおける前記メサ部の断面積
【００３４】
各微小ＬＥＤの形状は、図３に示すように、用途によって１つの方向に「引き伸ばす」ことができる。この実施例では、デバイス１２０が半導体層１２２に、メサ部１２３、発光層１２４及び接点１２６を有する。
【００３５】
一般に、前記アレイは次のような特徴を有する。
前記活性層の高さにおけるメサ部の断面積（ＡＣ）が１００μｍ２より小さい；
少なくともいくつかのメサ部のアスペクト比（（Ｈ３）×（Ｈ３））／ＡＣ）が０．３より大きい；
ダイオードメサ部の側壁が前記活性層の周辺部の大部分（即ち、５０％以上）に沿って前記活性層と角度α＝４５°（＋／−２０°）で交差する。
【００３６】
図４は、前記ＬＥＬと前記メサ部側壁との角度αを定義する図である。
【００３７】
図５は、放物面状デバイスのアスペクト比Ｈ４／Ｄ４の関数として計算した取り出し効率を示している。高いアスペクト比及び上部接点の反射率が高い場合には、取り出し効率の計算値が１００％に近づく。これは、現在利用可能な大部分の市販のＬＥＤよりも非常に高い。最も良い市販のＧａＮベースのＬＥＤの取り出し効率は約４５％である。図５では、上部の電気接点においてＤ１＝Ｄ２、Ｈ１＝Ｈ２、Ｄ３／Ｄ２＝１．１２及びＲ＝１００％である。この計算では、側面からの全ての反射が１００％反射されるものと仮定し、かつ底部の半導体対空気の界面に臨界角の範囲で当たる光線は１００％透過するが、この界面に臨界角外から当たる光線は失われるものと考えた。また、図５は、空気中に出る光の３０°円錐形（同じ放物面について）に閉じ込められる部分を示している。
【００３８】
上部電気接点の反射率の関数としての取り出し効率の値が、図６に示されている。図７は、前記放物面の焦点面に関する前記ＬＥＬの位置の効率への影響を示している。これは、前記ＬＥＬが前記焦点面に関して僅かにずれている場合でさえ、前記デバイスが効果的であることを示している。図８は、放物面状微小ＬＥＤからのビーム特性を標準的な立方形状のチップのランバーシアンビーム特性と比較している。上記計算では、前記界面における（部分反射による）フレネル損失を無視している。このような損失は、底面を反射防止被膜で被覆することによって、最小に維持することができる。
【００３９】
作成したいくつかの微小ＬＥＤの写真が図９に示されている。
【００４０】
前記微小ＬＥＤは、前記半導体材料及び前記基板（任意）が前記ＬＥＤの発光波長において透光性を有する限り、潜在的にほとんど１００％の光取り出しを可能にする。高い光取り出し効率は熱放散が少ないことを意味しており、これが次に、より高い動作電流を可能にし、従って更に単一のデバイスから出力され得る光を増加させる。これは、物質の内部量子効率が一旦１００％に近付くようになると、光出力がＥＥとの直線性よりも非常に高い早さで上昇し始めることから、重要な特徴となる。各微小ＬＥＤの重要な特徴は、前記メサ部の形状が故に、前記メサ部の壁部からの内面全反射にとても近いものがあり、ほとんど全ての光を底部で発出させることである。これは、前記メサ部の周囲に反射器を作成する必要なく達成され、内面反射が前記形状によって実現される。
【００４１】
また、本発明は、取り出し効率を犠牲にすることなく、単一のチップの寸法の大型化を可能にする。現在のＬＥＤチップでは、チップの側面を通した光の取り出しが、チップ面積を大きくしたとき、より効果的でなくなる。これにより、実用的なＧａＮ／サファイアチップの面積が約２ｍｍ×２ｍｍに制限されている。
【００４２】
６０ワットの白熱電球は約１０００ルーメンの光を発生する。自動車のヘッドライトには約１８００ルーメンの光が必要である。本発明は、単一のＧａＮベースのＬＥＤチップで、このような光出力レベルを提供することができる。
【００４３】
光線は一般に、半導体内部に短軌道を有し、従って吸収を最小にする。
【００４４】
放物面側壁に入射する光の反射は、主に臨界角より大きい角度であり、従って実際上無損失である。上部電気接点に当たる光線の大部分は、それに１回だけ当たる。
【００４５】
発生する光ビームは、高い指向性を持たせることができる（図８を参照）。
【００４６】
前記ビームの指向性は、例えばデータ通信の用途において、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）への光のカップリングに有用である。また、ＬＥＤからマルチモードのファイバへの光のカップリングは、実用的な実行手段となる可能性がある。この指向性は、Ｈ４／Ｄ４比（図７を参照）を増加することによって強められ、かつＤ１／Ｄ２比を小さくすることによって更に高められる。これらの比は、双方とも製造方法を利用して制御することができる。
【００４７】
個々のＬＥＤ素子からそれぞれ発生する光は高度に閉じ込められ、非常に僅かの光が測方に広がる。これは、光が１個のピクセルのみからでなければならずかつ隣のピクセルに広がるべきでない微小ＬＥＤディスプレイにとって、良いことである。
【００４８】
長円形の微小ＬＥＤ形状を導入することによって（図３を参照）、長円形の遠視野パターンを有する光ビームを得ることが可能である。これは、例えばいくつかの交通警告表示や標識などのいくつかの表示の用途について有用である。
【００４９】
前記構成はフリップチップボンディング技術に適合しており、ヒートシンクの改善によってより高い動作電流を可能にする。組み合わせたとき、前記放物面発光器は、単一のＬＥＤからのより高い光出力を可能にする。
【００５０】
以下に記載する製造技術は非常に簡単であり、高効率の固体照明用のＬＥＤを実現するための主要な工程であると考えられる。
【００５１】
また、前記デバイスを通してより高い電流密度を送れることから、これらのデバイスについてスイッチング速度が速くなることが期待される。接合部の分散性によって、電流密度の低い（より遅い）領域が排除される。また、同じ分散性及び３次元性（これを用いて前記メサ部の側部から熱を取り出すことができる）によって、より良好なヒートシンキングが可能であり、これが次に、電流密度をより高くする（従って、更にデバイスの速度を増加させる）ことができる。
【００５２】
前記設計及び製造技術は、透光性の底部を通して光を取り出すことができる全ての半導体材料系について適している。このような材料系の例として、ＧａＮ／サファイア、ＧａＮ／ＳｉＣ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＳａ、及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰがある。本発明は、前記ＬＥＬの上側のｐ型ドープ半導体、及び前記ＬＥＬの下側のｎ型ドープ半導体について、又は前記ＬＥＬの上側のｎ型ドープ半導体、及びＬＥＬの下側のｐ型ドープ半導体について適用することができる。
【００５３】
図１０（ａ）乃至図１０（ｈ）に関し、前記微小ＬＥＤの製造方法を以下に記載する。使用した符号は次の通りである。
１．（任意の）基板
２．半導体材料
３．放物面の焦点面
４．発光層（ＬＥＬ）。前記ＬＥＬの高さにおけるメサ部の断面積が「ＡＣ」である。  ５．電気絶縁層
６．前記半導体の上部電気接点
７．前記半導体の下部電気接点
８．本実施例では予め露出したレジストからなる多層エッチングマスクの下側部分
９．本実施例ではフォトレジストからなる多層エッチングマスクの上側部分
１０．微小ＬＥＤの外郭
【００５４】
ステップ１、２（図１０（ａ））：２層レジスト上にリソグラフィを実行する。下側の層を予め露出させ、更にこの製造工程の後の方で現像することができる。また、この下側の層は、後でエッチングして、前記絶縁層の一部分を選択的に剥離するためのアンダーカット形状を作ることができる別の犠牲層とすることができる。
【００５５】
ステップ３（図１０（ｂ））：前記多層膜を特定の時間及び温度で所望の形状にリフローさせ、次のステップで前記半導体に準放物面形状を作成する。
【００５６】
ステップ４（図１０（ｃ））：例えばＩＣＰ又はＲＩＥによるドライエッチングを行って、前記所望の形状を前記半導体に転写する。
【００５７】
ステップ５（図１０（ｄ））（任意）：酸素プラズマ工程により、前記多層盛り上げ部の寸法を小さくする。これによって、前記メサ部の上部直径より小さい、即ち（Ｄ１／Ｄ２）＜１である上部電気接点が可能になる。
【００５８】
ステップ６（図１０（ｄ））：前記下側層を更に現像して、前記２層レジストにオーバーハング形状を作成する。これは、前記上部電気接点の場所を作る、電気絶縁被膜の一部の剥離を容易にする。
【００５９】
ステップ７（図１０（ｅ））：絶縁被膜を前記メサ部の上に付着させる。
【００６０】
ステップ８（図１０（ｆ））：残りのレジスト及び不要な絶縁被膜を除去する。これは、ステップ６で作られたレジストのアンダーカットにより容易に行われる。
【００６１】
ステップ９：電気接点層を前記絶縁被膜全体の上に付着させる。各メサ部の中央において、この層が前記半導体と接触し、前記半導体メサ部の上部への電気接点を提供する。
【００６２】
ステップ１０：下部接点の付着及びパターニング。これによって、半導体下部への電気接点が提供される。前記上部接点はｐ型半導体又はｎ型半導体へのものとすることができる。
【００６３】
図１１は、ＧａＮ上に作成した微小ＬＥＤのクラスタから生じる発光を、透光性サファイア基板（近視野）を通して見た写真である。これは、準放物面形状の側面からの光出力への明確な貢献を示している。図１２は、このような単一のＬＥＤ素子について発光強度対位置の関係を示す線図である。
【００６４】
図１３は、前記微小ＬＥＤ素子の中心に交差する線上の位置の関数として前記強度を示している。図１１乃至図１３に示す素子のＨ３／Ｄ３比は約０．５である。この実施例において、前記ウエハはサファイア／ｎ−ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多量子ウエル領域／ｐ−ＧａＮであった。上部接点はＮｉ／Ａｕであった。前記絶縁被膜は蒸着ＳｉＯ２であった。下部接点はＴｉ／Ａｌであった。前記底面を通したＥＥは、前記表面形状により、これらのデバイスについておおよそ係数３で増加した。
【００６５】
本発明によって、ＥＥ及び指向性を改善したＬＥＤチップと簡単かつ効果的な製造方法とが提供されることが分かる。
【００６６】
本発明は上述した実施例に限定されるものでなく、その構成及び詳細において様々に変形することができる。例えば、前記活性層は、IV型（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ）、III-V型（例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）、又はII-IV型材料（例えば、ＺｎＯ、ＺｎＣｄＳｅＴｅ）のいずれかの半導体材料で形成することができる。また、前記活性層の光は、サブバンド間遷移により発生させることができる。前記活性層は量子ドット材料で形成することができる。更に、前記活性層はＳｂを含むことができる。更に、前記デバイスは、前記活性層が光を検出するフォトダイオード又はフォトダイオードアレイとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】微小ＬＥＤアレイデバイスの１個の素子を示す概略断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】別のデバイスの平面図である。
【図４】発光層（ＬＥＬ）とメサ部側壁との角度αを定義する図である。
【図５】２．２８の屈折率を有する半導体材料の放物面状の反射器に関する空気への取り出し効率対アスペクト比（Ｈ４／Ｄ４）を示す線図である。
【図６】図５で得られた結果への上部電気接点の反射率の影響を示す線図である。
【図７】放物面からなる焦点面（放物面の焦点と交差する水平面として定義される焦点面）に関する発光層の位置の影響を示す線図である。
【図８】ランバーシアンエミッタのビーム形状及び様々なアスペクト比（図５の場合と同じ他のパラメータ）を有する２つの放物面状微小ＬＥＤのビーム形状の組を示す図である。
【図９】ＧａＮ／サファイア材料上に作成された微小ＬＥＤを示す写真である。
【図１０】（ａ）図乃至（ｈ）図は、本発明のデバイスを製造するための製造方法の各工程を順に示す図であり、（ｇ）図及び（ｈ）図は、微小ＬＥＤのクラスタをその断面及び平面双方で示す図である。
【図１１】ＧａＮ／サファイア上に作成された微小ＬＥＤのクラスタからの発光を、透明サファイア基板を通して観察した写真である。
【図１２】単一のＬＥＤ素子（近視野）に関する発光強度対位置の関係を示す線図である。
【図１３】図１２に示す単一の微小ＬＥＤ素子を横切る線上の光強度対位置の関係を示す線図である。
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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