(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリップチップ発光ダイオードの構造であって、
ａ）波長λnの放射を発することが可能な実質的に平面の発光領域と、
ｂ）少なくとも１つの補償グループの反射面と、
を備え、
前記少なくとも１つの補償グループの反射面のそれぞれは、
i）前記発光領域の面に実質的に平行な少なくとも１つの台地表面を有しかつ前記放射の少なくとも一部に反射する、少なくとも１つの台地領域であって、
前記少なくとも１つの台地表面が少なくとも１つの台地平面に存在し、かつ、前記少なくとも１つの台地平面のそれぞれと他のすべての台地平面との分離が（λn／２）の整数倍である、少なくとも１つの台地領域と、
ii）前記発光領域の前記面に実質的に平行な少なくとも１つの谷表面を有しかつ前記放射の少なくとも一部に反射する、少なくとも１つの谷領域であって、
前記少なくとも１つの谷表面が少なくとも１つの谷平面に存在し、かつ、前記少なくとも１つの谷平面のそれぞれと他のすべての谷平面との分離が（λn／２）の整数倍である、少なくとも１つの谷領域と、
を備え、
iii）前記谷平面のそれぞれと前記台地平面のそれぞれとの分離は、（λn／４）の奇数倍である、ことを特徴とする構造。
【請求項２】
前記少なくとも１つの補償グループ内における前記少なくとも１つの台地表面の全面積と前記少なくとも１つの谷表面の全面積とは、実質的に等しい請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの補償グループは、１つの補償グループを含む請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記少なくとも１つの台地平面は、実質的に同一の平面に存在する請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記少なくとも１つの谷平面は、実質的に同一の平面に存在する請求項３に記載の構造。
【請求項６】
前記少なくとも１つの台地領域における前記少なくとも１つの表面は金属である請求項３に記載の構造。
【請求項７】
前記少なくとも１つの谷領域における前記少なくとも１つの表面は金属である請求項３に記載の構造。
【請求項８】
フリップチップ発光ダイオードの遠距離電磁界の放射パターンの変化を低減し、発光ダイオードを設ける工程を備えた方法であって、
該発光ダイオードは、
ａ）波長λnの放射を発することが可能な実質的に平面の発光領域と、
ｂ）少なくとも１つの補償グループの反射面と、
を備え、
前記少なくとも１つの補償グループのそれぞれは、
i）前記発光領域の面に実質的に平行な少なくとも１つの台地表面を有しかつ前記放射の少なくとも一部に反射する、少なくとも１つの台地領域であって、
前記少なくとも１つの台地表面が少なくとも１つの台地平面に存在し、かつ、前記少なくとも１つの台地平面のそれぞれと他のすべての台地平面との分離が（λn／２）の整数倍である、少なくとも１つの台地領域と、
ii）前記発光領域の前記面に実質的に平行な少なくとも１つの谷表面を有しかつ前記放射の少なくとも一部に反射する、少なくとも１つの谷領域であって、
前記少なくとも１つの谷表面が少なくとも１つの谷平面に存在し、かつ、前記少なくとも１つの谷平面のそれぞれと他のすべての谷平面との分離が（λn／２）の整数倍である、少なくとも１つの谷領域と、
を備え、
iii）前記谷平面のそれぞれと前記台地平面のそれぞれとの分離は、（λn／４）の奇数倍である、ことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの補償グループの各々における前記少なくとも１つの台地表面の全面積と前記少なくとも１つの谷表面の全面積とは、実質的に等しい請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの補償グループは、１つの補償グループを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの台地平面は、実質的に同一の平面に存在する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの谷平面は、実質的に同一の平面に存在する請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの台地領域における前記少なくとも１つの表面は金属である請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの谷領域における前記少なくとも１つの表面は金属である請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大まかにいえばフリップチップ発光ダイオードの分野に関し、より詳細には、このようなデバイスから発せられる放射の強度における遠距離電磁界の（far-field）変化を低減することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、高輝度を実現することが可能であり、かつ、特にディスプレイ、照明、表示器（indicator）、プリンタ、光学ディスク読取部を含む多数のアプリケーションを有することが可能な、高耐久性を有するソリッドステート光源である。ＬＥＤは、１つの面における反射性オーミックコンタクトおよび第２のオーミックコンタクトと、対向する面としてＬＥＤが発した光に対して透過性を有する基層と、を有した「フリップチップ」デザインを含む、様々な幾何学的な構造となるように製造される。反射性コンタクトとは逆の極性を有するオーミックコンタクトは、ＬＥＤから発せられる光にほとんど干渉しないように配置される。典型的には、反射性オーミックコンタクトは正であり、その他のコンタクトは負である。これは、典型的なＬＥＤ材料における正孔（正の電荷担体[charge carrier]）の拡散長が電子（負の電荷担体[charge carrier]）の拡散長より短いからである。よって、ほとんど伝導性を有しないｐ層が、ＬＥＤの大面積を覆う必要がある。電子の拡散長が長いことによって、実際には、制限された表面積の一面に電子を比較的に小さいコンタクトにより注入する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フリップチップＬＥＤのいくつかの構成は、反射性コンタクトに極めて近接して配置された発光活性領域を有する。具体的には、反射性コンタクトからの活性領域の分離が、活性領域により発せられた光の可干渉距離（coherence length）の約５０％より少ない場合には、干渉縞（interference pattern）が発生する。このような場合には、ＬＥＤから直接出る活性領域からの光は、反射性コンタクトによる反射後にＬＥＤから出る活性領域からの光とともに干渉縞を形成する。これらの干渉縞によって、ＬＥＤから発せられた光の強度に、特に遠距離電磁界に空間的な変化が生ずることになる。
【０００４】
遠距離電磁界の強度が変化することは、単一のＬＥＤの性能に有害であるが、潜在的にもっと深刻な問題は、干渉縞に起因してＬＥＤごとに遠距離電磁界の強度が変化することである。一般的に、干渉最大値・最小値の位置、強度および構造は、光が活性領域から遠距離電磁界への行路において衝突する表面および材料の場所、反射特性（reflective property）、平面性（planarity）およびその他の特性の関数である。具体的には、ＬＥＤごとの幾何学的形状（geometry）における適当かつランダムな変化は、実際のＬＥＤの製造方法に固有である。このような幾何学的な変化によって、干渉縞にひいては遠距離電磁界の強度に著しく大きな予期しえない変化が生ずる。このような強度の変化を低減することが本発明の１つの目的である。
【０００５】
本発明は、干渉縞によって生ずる強度の変化が強度の最大値を用いて強度の最小値を補償する傾向を有するよう少なくとも２つの別個の干渉縞を形成させるべく、ＬＥＤの反射性コンタクトをテクスチュア（texture）することに関する。適切なテクスチュアを行うことにより、ＬＥＤは、より均一な放射パターンを発するようになり、遠距離電磁界の強度におけるＬＥＤごとの変化を低減することができる。適切なテクスチュアを行うことにより、ＬＥＤは、より均一な放射パターンを発することになり、かつ、遠距離電磁界の強度におけるＬＥＤごとの変化を低減することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性領域を備えたフリップチップＬＥＤに関し、この活性領域は、１つ以上の層によって該活性領域から分離された反射性オーミックコンタクトを有する。活性領域において発生する電子と正孔との再結合から発せられた光であってＬＥＤから直接出る光は、上記反射性コンタクトに反射した後にＬＥＤから出る光とともに干渉縞を形成する。この干渉縞の構造は、製造の間においてＬＥＤごとにほとんど予期しえない変動を受ける反射性コンタクトと活性領域との間の間隔を含む、ＬＥＤの構造および材料により決定付けられる。一定でない（Inconsisitent）遠距離電磁界の放射パターンによって、望ましくない結果が生ずることになる。本発明は、反射性層の表面に適切なテクスチュアを導入することにより、ＬＥＤから発せられる光の空間的な変化を低減する。遠距離電磁界の放射に安定した干渉縞が発生するように、少なくとも２つの反射性面が、発光領域に平行な反射性コンタクトに設けられる。反射性面のセットは、（λn／４）の奇数倍により分離された少なくとも２つの面を含む。ここで、λnは、反射性面と活性領域との間の層における光の波長である。この結果、補償する干渉最大値および最小値（compensating interference maxima and minima）、ならびに、より一定な（consistent）遠距離電磁界の放射パターンが得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、発光活性領域１とベース層３により分離された透明な基層２とを備える典型的なフリップチップＬＥＤの一部を示す。ここでは、図１に示すようなＧａＮベース層を有するサファイア基層上のＡｌＩｎＧａＮフリップチップＬＥＤの実例を考える。ＳｉＣは、特に本発明に関連して用いることができる別の透明な基層の１つの例である。説明を明確とするために、反射性オーミックコンタクト４が正のコンタクトであるような一般的な場合のフリップチップＬＥＤを説明する。この例は説明のためのものであり限定のためのものではない。
【０００８】
ベース層３は、単一の層または１つ以上の組成サブ層を具備しており、典型的には、基層と発光活性層１との間の遷移領域（transition region）として基層２の上にエピタキシャル成長される。ベース層を備えた１つ以上のサブ層を成長させるために、典型的には、金属・有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が用いられるが、その他の成長技術が知られており従来技術において用いられている。本明細書で説明するＡｌＩｎＧａＮ−ＬＥＤの特定の例については、ベース層は、典型的には少なくとも１つのｎ型ドープＧａＮ層を含むIII族窒化物化合物である。
【０００９】
反射性正のオーミックコンタクト４は、活性領域１から分離距離（separation）ｄだけ離れて、活性領域とコンタクトとの間にある１つ以上のｐ型層５とともに位置する。層５は、全体にわたって均一な組成、電気的または光学的な性質を有する単一の層に限定されない。層５は、サブ層ごとに異なる組成、ドーピング特性および屈折率を有する多数のサブ層を有する多数のサブ層を含むか、または、層５の厚さ全体にわたって徐々に変化させた組成、電気的性質および光学的性質を含む。層５は、ｐ型材料に限定されない。全体的にｐ型伝導性を有する層における１つ以上のサブ層としてｎ型層が含まれうるし、全体的にｎ型伝導性を有する層もまた用いられうる。本発明を限定することなく簡単に説明するために、ここで、ｐ型伝導性を有する単一の層５を考える。
【００１０】
活性領域１で発生する電子と正孔との再結合からの光は、ＬＥＤから（例えばパス６ｄにより）出ることができ、または、６ｒと示されたビームのようにオーミックコンタクト４に反射した後にＬＥＤから出ることができる。活性領域１において発せられた光の可干渉距離は、典型的には、ＧａＮについてはおよそ３μｍ（μｍ＝１０-6ｍ）である。可干渉時間（coherence time）は、光源の発光特性のみに依存する一方、可干渉距離は、光が移動する媒体の波長に依存する。よって、分離距離ｄが可干渉距離の約５０％未満（ｄ≦１.５）である場合には、直接ビーム（direct beam）と反射ビーム（reflected beam）との間に干渉が発生し、この結果、ＬＥＤにより生成される光の強度が空間的に均一にならなくなってしまう。
【００１１】
図２は、図１に定められたＬＥＤの垂線に関する発光方向θの関数としての遠距離電磁界の発光強度（束）をコンピュータで生成した例を示す。ｄ＝１００ｎｍ（ｎｍ＝１０-9ｍ＝０.００１μｍ）を有する曲線「ａ」からｄ＝１８０ｎｍを有する曲線「ｉ」までに至る様々な放射パターンが描かれている。束（フラックス）の単位は、角度を有する束の変化のみが問題となっているので、任意である。放射パターンは、分離距離ｄ、発せられた光の波長、光がＬＥＤから出る際に通過する材料の実効屈折率に特に依存する。放射パターンは、ｄが変化するにつれて明らかに変化する。
【００１２】
本発明は、直接ビーム６ｄと反射ビーム６ｒとの干渉の結果として生ずる強度の変化を削減すべく図１における反射性層４の表面に適切なテクスチュア（texture）を導入することにより、ＬＥＤから発せられる光の空間的な変化を低減する。実際には、反射体４に反射材料を堆積させる前にｐ型層５の表面をエッチングすることにより反射体４の構造に所望のテクスチュアを導入すれば都合がよい。しかしながら、ＬＥＤにおける反射性層をテクスチュアするための他の手段を、本発明に関連して用いることも可能である。
【００１３】
本発明は、テクスチュアされた層５の上に堆積させた、金属の反射性表面からの反射に限定されない。層５とは異なる屈折率を有する誘電体スペーサ層は、界面における反射につながり、１つ以上の反射性層につながる他の構造と同様に本発明に関連して用いることが可能なものである。
【００１４】
図３は、反射性層４に対して２レベルのテクスチュアが使用される実施の形態のうちの１つの断面図を示す。これらの実施の形態における表面９は、活性領域１から分離距離ｄをおいた、エッチング前の層５の表面である。反射性材料を用いたコーティングの前に行われる、テクスチュア深さαまでの層５に対するエッチングによって、図３において断面図により描かれた、上部反射表面１１（台地[plateau]）と下部反射表面１０（谷［valley］）とを有する２レベルの構成がもたらされる。
【００１５】
図３は、多数の台地突起部（plateau protrusion）１１を有する反射性コンタクト４を断面図で示している。実際の突起部は３次元空間で発生する。活性領域１の透視図から見ると、テクスチュアした台地１１および谷１０は、活性領域１の平面に平行な２次元の平面領域としてみることができる。コンタクト４のこれらの平面反射性領域は、特に円、正方形、矩形および楕円を含む任意の都合のよい形状を有することができる。台地およびまたは谷は、すべての場所において同一の形状を有する必要はない。しかしながら、各台地または各谷の空間的な大きさについては、層５における放射波長より著しく大きくすべきであるが、チップの全サイズに比べて小さくすべきである。加えて、反射体の台地領域により覆われる全面積については、谷の領域の全面積と等しくなるように選択することが有効である。干渉の影響を有益に低減することは、台地領域の面積と谷領域の面積とを等しくしなくとも実現できるが、均一性を向上させるためにはこれらの面積を等しくすることが有用である。
【００１６】
図４は、図３に示すテクスチュアした反射性構造から出る計算された光強度すなわち放射パターンの実例を示す。図４に示す様子は、典型的なセットのシステムパラメータについての実例によって本発明を限定することなく与えられる。図示した特定の例では、ｄは１３０ｎｍとされ、テクスチュア深さαは５２ｎｍとされている。真空中における活性領域１により発せられる波長は、λ＝５００ｎｍである。層５についての屈折率ｎを２.４とすると、層５における波長λnは２０８.３３であり、αはλn／４である。図４は、台地の反射領域の面積と谷の反射領域の面積とを等しくした際の結果を表す。図４における曲線ａは、図３の台地領域１１から反射した光より生ずるθの関数としての放射パターンを示す。直接発した光６ｄに干渉するビーム６ｒ2が、曲線ａを生成する。直接発した光６ｄに干渉するビーム６ｒ1が曲線ｂを生成する。曲線ａの干渉最大値は、曲線ｂの干渉最小値にほぼ対応する角度位置で生じており、これが補償および曲線ｃにより示された総合放射パターンにつながる。放射パターンにおいて空間的な変化が低減されていることが明確となっている。
【００１７】
図４の結果は、図３に示されたようなλn／４により分離された反射性表面における２つの面（台地および谷）からの反射について得られる。しかしながら、本発明に関連して用いたテクスチュアは、２つの反射性平面に限定されないし、反射性平面の間の分離距離もλn／４に限定されない。
【００１８】
＜干渉を補償するための反射性平面の間における分離距離＞  反射性平面を活性領域に平行なλn／２の整数倍によって置換することにより、このような平面に反射する光であって干渉縞の構造に影響を与えない整数倍のλnによって遠距離電磁界に到達する光が通過するパスが変化する。したがって、２つの反射性平面の間における分離距離がλn／４の奇数倍である際には、干渉縞が結果として補償される（遠距離電磁界の変化が低減される）。２つの反射性平面がｉおよびｊにより示されかつこれら平面の間の分離または距離がαi,j（αi,j＞０）により示される場合には、補償される干渉縞は、αi,jが各平面の（ｉ，ｊ）の対について式（１）を満たす際に発生する。
αi,j（ｍ）＝（２ｍ−１）λn／４
（ただし、ｍは正の整数すなわち１,２,３,...である）      式（１）
ここで、ｍに対する依存性が明らかとなっている。ｍ＝１である場合が図３に示されている。
【００１９】
＜多数の反射性平面＞  図３に示した谷（台地）領域は、λｎ／２の整数倍がその平面による干渉縞に対する寄与に影響を与えないというい性質によって、必ずしもすべてが１つの平面に存在する必要はない。例えば、図３に示した谷領域は、すべて平面９に存在するように表現されている。図５は、谷領域がλｎ／２の整数倍により互いに分離された平面９ａ、９ｂおよび９ｃに存在するような別の構成を示す。図５における各谷領域は、λn／４の奇数倍により平面１１ａの台地領域から分離されている。同様に、台地領域は、平面１１ａに必ずしもすべてが存在する必要はないが、λn／２の整数倍により互いに分離される、したがって、λn／４の奇数倍により各谷平面から分離される、複数の台地平面に存在することができる。よって、すべての谷平面ｉは、ｍのいくつかの値としてすべての台地平面ｊを用いた式（１）を満たす。好ましくは、谷領域の全面積を、谷領域（または台地領域）の全体がすべての谷平面ｉ（または台地平面ｊ）を含むような台地領域の全面積にほぼ等しくすべきである。
【００２０】
ここで、式（１）を満たす谷平面ｉおよび台地平面ｊのセットを「補償グループ」とする。最も簡単な例の補償グループは、１つの谷平面および１つの台地平面の図３に示されたものである。図５は、３つの谷平面９ａ、９ｂ、９ｃと１つの台地平面とを含む補償グループの別の形式を示す。通常の補償グループは、複数の谷平面ｉと、複数の台地平面ｊとを含み、すべてのｉおよびｊについて式（１）を満たす。しかしながら、本発明は、１つの補償グループに限定されない。本発明に基づく反射性表面をテクスチュアすることには、反射性平面の１つ以上の補償グループを使用することが含まれる。
【００２１】
図７には、それぞれが１つの谷平面と１つの台地平面とを含む、２つの補償グループの場合について示している。反射性平面１１ｙおよび９ｙは、１つの補償グループを構成し、上述した方法による干渉縞を補償することにつながる。反射性平面９ｘおよび１１ｘは、別の補償グループを構成し、同様に、上述した方法による干渉縞を補償することにつながる。しかしながら、図７に示すように、谷平面９ｙおよび９ｘならびに関連する台地平面１１ｙおよび１１ｘについては、両方とも同一のＬＥＤにおいて用いることができる。平面を対で考えると、平面９ｙおよび１１ｙは、平面９ｘおよび１１ｘがそうであるように、光強度において遠距離電磁界の変化を低減することにつながる。しかしながら、補償グループ間における鉛直方向の間隔（vertical spacing）に制限はない。すなわち、図７における平面９ｙと９ｘとの間の間隔は、任意なものであり、波長の特定の分数または倍数である必要はない。各補償グループによって、遠距離電磁界の強度の変化を低減することができるので、各補償グループは、他の補償グループの平面から特定の分離距離を有する必要はない。
【００２２】
複数の補償グループを遠距離電磁界の強度を低減するために用いることができ、この複数の補償グループは、図７に示された２つの補償グループに限定されない。加えて、グループ内の平面として、上述した中間平面の間隔（interplane spacing）を有する各補償グループ内に、複数の谷平面およびまたは台地平面が存在する。
【００２３】
補償グループにおける台地領域および谷領域については、（図７に示すように）並べたり、インタリーブ（interleave）したり、または、その他の都合のよい間隔または幾何学的な関係を有するようにすることができる。本発明を実施する際には、全台地領域を他の補償グループにおける台地領域および谷領域に関係なく各補償グループ内の全谷領域にほぼ等しくすることが有利である。
【００２４】
本発明は、単一量子井戸ＬＥＤ（ＳＱＷ）ＬＥＤに限定されず、多数の量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有するＬＥＤにも適用可能なものである。いくつかのＳＱＷＷおよびＭＱＷ構成についての放射パターンが図６に示されている。図６に示すすべての場合において、反射性コンタクトは、図３に模式的に示したような層５における放射波長の約２５％だけ分離した２レベルの反射を有する。比較のため、曲線（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、台地領域（曲線ｂ）、谷領域（曲線ａ）およびこれら２つの平均（曲線ｃ）から生じた、図４における様子に類似したＳＱＷ放射パターンである。曲線（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）は、量子井戸（ＱＷ）間において１７.５ｎｍの分離距離を有し、反射層および２つの反射性表面のうちの低い方、谷領域１０に最も近いＱＷから１８２ｎｍ離れている。すなわち、図３における分離距離「ｄ」は、平面９から８ＭＱＷの最も低いものまでの寸法をとる。曲線（ｄ）は、谷反射性表面から生ずる放射パターンである。曲線（ｅ）は、台地反射性表面から生ずる放射パターンである。曲線（ｆ）は、曲線（ｄ）および（ｅ）の平均である。曲線（ｇ）〜（ｋ）は、距離ｄ１がＱＷの最も低いものから最も低い反射性表面まで変化する４ＱＷを有するＭＱＷ活性領域に関する。他のすべての条件、特にＱＷ間の間隔が１７.５ｎｍであることは、図６における他の曲線についてのものと同一である。いくつかのＱＷのうちの最も低いものから反射性平面までの間隔は、放射パターンの均一性にほとんど影響を与えない、ということが分かる。量子井戸間の間隔を変化させても、実質的な変化はみられない。
【００２５】
本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本明細書の開示によって、本明細書に記載された本発明の思想から逸脱することなく本発明に対して変更を施すことが可能である、ということを認識できよう。したがって、本発明の範囲は、説明した特定の実施の形態に限定するように意図したものでなない。
【図面の簡単な説明】
【図１】透明な基層、ＧａＮベース層、発光活性領域、厚さｄを有するオーミックコンタクトに隣接する層および反射性オーミックコンタクトを含む典型的なフリップチップＬＥＤ構造を示す断面図
【図２】キャプションにおいて（単位：ｎｍ）与えられたような様々な距離ｄについて、図１に示したＬＥＤから発せられる光の束の角度分布を示す図（束の単位は任意である）
【図３】２レベルのテクスチュアされた反射性コンタクトを示す断面図
【図４】図３に示したＬＥＤから発せられた光の強度の角度分布（束の単位は任意である）
【図５】多数の反射性平面を有する反射性層を示す断面図
【図６】ＳＱＷおよびＭＱＷから発せられる光の強度の角度分布を示す図（束の単位は任意である）
【図７】２つの補償グループにおいて多数の反射性平面を有する反射性層を示す断面図
【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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