(57)【要約】  半導体層のスタックが再発光半導体構造（ＲＳＣ）を形成する。スタック（３１０）は、第１の波長の光を第２の波長の光に変換する活性領域（３１６）を有し、活性領域（３１６）は少なくとも１つのポテンシャル井戸を有する。スタック（３１０）はまた、スタックの外側表面から活性領域へと延在する不活性領域（３１８）を有する。外側表面から不活性領域の中へと延びる凹部（３２６）がスタック（３１０）内に形成されている。平均凹部深さは、不活性領域の厚さの少なくとも５０％である。あるいは、平均凹部深さは、最短ポテンシャル井戸距離の少なくとも５０％である。凹部（３２６）の更に他の特性付けについても開示される。凹部（３２６）は、平面視において少なくとも４０％の実装密度を有し得る。凹部（３２６）はまた、それらの投影面積の相当な部分が、斜めに傾いた表面に関連付けられる。
2012526392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層のスタックを備える装置であって、
該スタックが、
第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光に変換するように構成された活性領域であって、少なくとも第１のポテンシャル井戸を有する活性領域と、
該スタックの外側表面から前記活性領域へと延びる第１の不活性領域であって、前記外側表面から前記活性領域までの距離が前記第１の不活性領域の厚さに相当し、前記第１の不活性領域はその中を伝播する前記第１の波長λ１の光が他の光に実質的に変換されないことを特徴とする、第１の不活性領域とを有し、
該スタックがまた、前記外側表面から前記第１の不活性領域の中へと延びる前記スタックの中に形成された複数の凹部を有し、該凹部が平均凹部深さによって特徴付けられ、該平均凹部深さが前記第１の不活性領域の前記厚さの少なくとも５０％である、装置。
【請求項２】
前記複数の凹部が公称では同一深さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記平均凹部深さが前記第１の不活性領域の前記厚さの少なくとも６０％である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記平均凹部深さが前記第１の不活性領域の前記厚さの少なくとも７０％である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記平均凹部深さが前記第１の不活性領域の前記厚さの少なくとも８０％である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記平均凹部深さが前記第１の不活性領域の前記厚さの少なくとも９０％である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記凹部が実質的には前記活性領域の中へ延びない、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
各凹部が平面視において２次元の形状であり、前記複数の凹部が公称では同一の２次元形状を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
各凹部には平面視において最大の横方向寸法があり、前記複数の凹部には同一の公称横方向寸法がある、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記スタックが基準平面に概ね平行な横方向に延在し、各凹部は前記基準平面に対して斜角をなして傾斜する表面を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
各凹部には平面視において投影面積があり、該投影面積の少なくとも２０％が斜角をなして傾斜した表面に相当する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記投影面積の少なくとも２０％が１０度〜８０度の範囲で斜角をなして傾斜する表面に相当する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
各凹部には前記基準平面に垂直な局所的な横断平面において輪郭があり、各凹部の該輪郭は曲線状の部分を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
各凹部の前記輪郭は概ねＵ字形状の末端部を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
各凹部には前記基準平面に垂直な局所的な横断平面において輪郭があり、各凹部の該輪郭は概ねＶ字形状の末端部を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
各凹部には前記基準平面に垂直な局所的な横断平面において輪郭があり、各凹部の該輪郭は概ね切頭Ｖ字形状の末端部を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
前記半導体層スタックの前記活性領域は、前記第１のポテンシャル井戸に近接した第１の吸収層を含み、かつ前記活性領域のバンドギャップエネルギーが前記第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも大である、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記スタックが基準平面に概ね平行な横方向に延在し、前記凹部の少なくともいくつかの間の外側表面の複数部分が平坦でかつ前記基準平面に平行である、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数の凹部が少なくとも４０％の実装密度であり、該実装密度は、前記外側表面を平面図で示した際に前記複数の凹部が占める面積の百分率である、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数の凹部が少なくとも５０％の実装密度である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記複数の凹部が少なくとも６０％の実装密度である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記活性領域には第１の屈折率を有する第１の半導体材料が含まれ、前記不活性領域には第２の屈折率を有する第２の半導体材料が含まれ、該第１の屈折率及び該第２の屈折率が前記第２の波長λ２で測定され、かつ該第２の屈折率が該第１の屈折率の少なくとも８０％である、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記複数の凹部が隣接する凹部の間の平均間隔Λで特徴付けられ、Λが前記第２の波長λ２を前記不活性領域の屈折率で除算したものよりも大である、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記外側表面が空気に露出する、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記外側表面が固体の非半導体材料で被覆される、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記固体の非半導体材料が結合材料を含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記スタックがスタック全厚を有し、前記第１の不活性領域の前記厚さが該スタック全厚さの５０％を超える、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記活性領域が活性領域厚さを有し、前記第１の不活性領域の前記厚さは該活性領域厚さより大である、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
第１の波長λ１の光を発光するように構成されたエレクトロルミネッセンスデバイスと組み合わされた、請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
半導体層のスタックを含む装置であって、
該スタックは、
第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光に変換するように構成された活性領域であって、少なくとも第１のポテンシャル井戸を有する活性領域と、
該スタックの外側表面から前記活性領域へと延びる第１の不活性領域であって、該第１の不活性領域はその中を伝播する前記第１の波長λ１の光が他の光に実質的に変換されないことを特徴とする、第１の不活性領域と、を有し、
該第１のポテンシャル井戸が、該スタックの前記外側表面に最も近いポテンシャル井戸であり、かつ前記外側表面から前記第１のポテンシャル井戸までの最短ポテンシャル井戸距離を特徴とし、
該スタックはまた、前記外側表面から該第１の不活性領域の中へと延びる、該スタックの中に形成された複数の凹部を有し、該複数凹部は平均凹部深さによって特徴付けられ、該平均凹部深さが該最短ポテンシャル井戸距離の少なくとも５０％である、スタックを含む、装置。
【請求項３１】
前記複数凹部が公称では同一深さである、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記平均凹部深さが前記最短ポテンシャル井戸距離の少なくとも６０％である、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記平均凹部深さが前記最短ポテンシャル井戸距離の少なくとも７０％である、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記平均凹部深さが前記最短ポテンシャル井戸距離の少なくとも８０％である、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記平均凹部深さが前記最短ポテンシャル井戸距離の少なくとも９０％である、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記凹部が実質的には前記活性領域の中へ延びない、請求項３０に記載の装置。
【請求項３７】
前記スタックが基準平面に概ね平行な横方向に延在し、各凹部が前記基準平面に対して斜角をなして傾斜する表面を有する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３８】
各凹部には平面視において投影面積があり、該投影面積の少なくとも２０％が斜角をなして傾斜する表面に相当する、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記投影面積の少なくとも２０％が、１０度〜８０度の範囲で斜角をなして傾斜する表面に相当する、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記複数の凹部が少なくとも４０％の実装密度であり、該実装密度は前記外側表面を平面図で示したときに前記複数の凹部が占める面積の百分率である、請求項３０に記載の装置。
【請求項４１】
第１の波長λ１の光を発光するように構成されたエレクトロルミネッセンスデバイスと組み合わされた、請求項３０に記載の装置。
【請求項４２】
第１の波長の光を吸収し、それよりも長い第２の波長の光を発光するように構成された半導体層のスタックを備える多層半導体構造であって、
該スタックが、
ポテンシャル井戸と、
前記第１の波長の光を吸収し、かつ屈折率ｎ１を有する第１の半導体層と、
屈折率ｎ２を有し、かつ該スタックから前記第２の波長の光を抽出するための複数の抽出構造を有する第２の半導体層とを備え、
ｎ２がｎ１と等しいかそれよりも大である、多層半導体構造。
【請求項４３】
前記第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設された、前記スタック内のいかなる層に関しても、当該層の屈折率がｎ２以下である、請求項４２に記載の物品。
【請求項４４】
前記スタックは前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に配設された第３の半導体層を含み、前記第２の半導体層が第２のバンドギャップエネルギーを有し、該第３の半導体層が前記第２のバンドギャップエネルギーよりも大である第３のバンドギャップエネルギーを有する、請求項４２に記載の物品。
【請求項４５】
前記ポテンシャル井戸及び前記第１の半導体層は、前記第１の波長の光が前記第２の波長の光に変換される前記スタックの活性領域の一部であり、前記スタックはまた、その中を伝播する前記第１の波長の光が実質的に他の光に変換されないことを特徴とする不活性領域を有し、該不活性領域は、前記第２の半導体層を含みかつ不活性領域厚さを有し、
前記複数の抽出構造が平均凹部深さで特徴付けられる複数の凹部を備え、かつ該平均凹部深さが前記不活性領域厚さの少なくとも５０％である、請求項４２に記載の物品。
【請求項４６】
前記スタックが基準平面に概ね平行な横方向に延在し、前記複数の抽出構造は複数の凹部を備え、各凹部は該基準平面に対して斜角をなして傾斜する表面を含む、請求項４２に記載の物品。
【請求項４７】
各凹部には平面視において投影面積があり、該投影面積の少なくとも２０％が斜角をなして傾斜する表面に相当する、請求項４６に記載の物品。
【請求項４８】
前記投影面積の少なくとも２０％が１０度〜８０度の範囲で斜角をなして傾斜する表面に相当する、請求項４７に記載の物品。
【請求項４９】
前記複数の凹部は少なくとも４０％の実装密度を有し、前記実装密度は、前記外側表面を平面図で示したときに前記複数の凹部が占める面積の百分率である、請求項４６に記載の物品。
【請求項５０】
第１の波長の光を発光するように構成されたエレクトロルミネッセンスデバイスと組み合わされた、請求項４６に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、本願と同じ日に出願され参照によって組み込まれる次の米国特許出願、つまり、米国特許出願第６１／１７５，６３６号、「ＬＥＤと共に使用するための再放射半導体担体デバイス及びその製造方法（Re-Emitting Semiconductor Carrier Devices For Use With LEDs andMethods of Manufacture）」（代理人整理番号第６５４３５ＵＳ００２号）、及び米国特許出願第６１／１７５，６３２号、「インジウム欠乏機構を利用したインジウム含有基板上に成長された半導体デバイス（Semiconductor Devices Grown on Indium-Containing Substrates UtilizingIndium Depletion Mechanisms）」（代理人整理番号第６５４３４ＵＳ００２号）に関するものである。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、広義には固体半導体光源、並びにそれに関連する装置、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
多種多様な半導体装置、及び半導体装置を作製する方法が知られている。これらの装置の一部は、可視光又は近可視光（例えば紫外光若しくは近赤外光）などの光を発光するように設計される。例として、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザーダイオードが挙げられる。もう一つの例が、再発光半導体構造（ＲＳＣ）を形成する半導体層のスタックである。
【０００４】
ＬＥＤとは異なり、ＲＳＣは、発光するために外部の電子回路からの電気駆動電流を必要としない。その代わりに、ＲＳＣは、ＲＳＣの活性領域において第１の波長λ１の光を吸収することによって、電子正孔対を生成する。これらの電子と正孔は次いで、活性領域内のポテンシャル井戸にて再結合して、第１の波長λ１とは異なる第２の波長λ２、また任意選択により、ポテンシャル井戸の数及びそれらの設計上の特徴に応じて更に他の波長λ３、λ４等の光を発光する。第１の波長λ１の開始放射線又は「ポンプ光」は通常、ＲＳＣに結合された青色ＬＥＤ、紫色ＬＥＤ、又は紫外線発光ＬＥＤによってもたらされる。例示的なＲＳＣ装置、それらの構築方法、並びに関連する装置及び方法が、米国特許第７，４０２，８３１号（ミラー（Miller）ら）、米国特許出願公開第２００７／０２８４５６５号（レーザーデール（Leatherdale）ら）及び同第２００７／０２９０１９０（ハ―セ（Haase）ら）、ＰＣＴ公開ＷＯ  ２００９／０４８７０４（ケリー（Kelley）ら）、並びに２００８年６月２６日出願の同時係属中の米国特許出願第６１／０７５，９１８号、「半導体光変換構造（Semiconductor Light Converting Construction）」（代理人整理番号第６４３９５ＵＳ００２号）に見出され、これらは全て参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００５】
図１は、ＲＳＣ  １０８とＬＥＤ  １０２とを組み合わせた例示的な装置１００を示している。ＬＥＤは、ときにエピ層とも呼ばれるＬＥＤ半導体層１０４のスタックをＬＥＤ基板１０６上に有している。層１０４は、ｐ型及びｎ型の接合層、発光層（通常、量子井戸を有する）、バッファ層、並びにスーパーストレート層を含むことができる。層１０４は、任意選択による結合層１１６を介してＬＥＤ基板１０６に取り付けることができる。ＬＥＤは、上部表面１１２と下部表面とを有しており、上部表面には、上部表面が平坦である場合と比較して、ＬＥＤからの光の抽出を向上させるようにテクスチャー化してある。図示のように、電極１１８、１２０をこれらの上部表面及び下部表面上に設けることができる。これらの電極を通じて好適な電源に接続されると、ＬＥＤは、青色光又は紫外（ＵＶ）光に相当し得る第１の波長λ１の光を発光する。このＬＥＤ光の一部がＲＳＣ  １０８に入射し、そこで吸収される。
【０００６】
ＲＳＣ  １０８は、結合層１１０を介してＬＥＤの上部表面１１２に取り付けられている。ＲＳＣは、上部表面及び下部表面１２２、１２４を有しており、ＬＥＤからのポンプ光は下部表面１２４を通過して入射する。ＲＳＣはまた量子井戸構造１１４を有しており、この量子井戸構造１１４は、ＬＥＤ  １０２によって発光されたポンプ光の少なくとも一部が吸収されるようにこの構造の各部分におけるバンドギャップが選択されるような設計となっている。ポンプ光の吸収によって生成された電荷キャリアは、この構造のうちの、より小さなバンドギャップを有する他の部分、つまり量子井戸層の中へと移動し、ここでキャリアは再結合しより長い波長の光を生成する。この様子が図１に示されており、第２の波長λ２の再発光光がＲＳＣ  １０８の内部から発生し、ＲＳＣを抜け出して出力光を供給している。
【０００７】
図２は、ＲＳＣを備える例示的な半導体層スタック２１０を示している。このスタックは、リン化インジウム（ＩｎＰ）ウェーハ上で分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いて成長させたものである。まず、ＧａＩｎＡｓバッファ層をＩｎＰ基板上でＭＢＥによって成長させて、ＩＩ〜ＶＩ成長用の表面を調製した。次いで、超高真空移送システムを介して、ＲＳＣで用いられるＩＩ〜ＶＩエピタキシアル層の成長のための別のＭＢＥチャンバーにウェーハを移動した。成長したままのＲＳＣの詳細が図２に示されており、表１にまとめられている。この表には、ＲＳＣに関連する種々の層に関して、厚さ、材料組成、バンドギャップ、及び層の説明が記載されている。このＲＳＣは、各々が２．１５ｅＶの遷移エネルギーを有する８個のＣｄＺｎＳｅ量子井戸２３０を有するものであった。各量子井戸２３０はＣｄＭｇＺｎＳｅ吸収層２３２の間に挟まれており、これらのＣｄＭｇＺｎＳｅ吸収層２３２は、ＬＥＤが発光した青色光を吸収し得る２．４８ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するものであった。ＲＳＣはまた、様々な窓層、バッファ層、及びグレーディング層を有していた。
【０００８】
【表１】
2012526392.tif 000003
【０００９】
このＲＳＣ装置及び他のＲＳＣ装置の更なる詳細が、ＰＣＴ公開ＷＯ２００９／０４８７０４（ケリー（Kelley）ら）に見出すことができる。
【００１０】
ＲＳＣの各層は半導体材料で構成されており、半導体材料は通常、比較的高い屈折率を有するので、第２の波長λ２の光、及びＲＳＣ内で生成された他の任意の光は、ＲＳＣの外側表面における内部全反射によってＲＳＣの内部に捕捉されやすく、また、発光出力に寄与する代わりにＲＳＣ内で吸収されやすくなる。したがって、この損失機構を低減するために、ＲＳＣの１つ以上の表面をテクスチャー化して、ＲＳＣ内で生成された長波長光の抽出効率を向上させることが提案されてきた。例えばＰＣＴ公開ＷＯ  ２００９／０４８７０４号（ケリー（Kelley）ら）を参照されたい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明者らは本願において、特に再発光半導体構造（ＲＳＣ）の光抽出の技術水準を高める装置及び方法について記載する。したがって、ＲＳＣの１つ以上の表面を単純にテクスチャー化するほかに、本発明者らは本明細書において、ＲＳＣへの応用に特に好適である抽出機構部に関する特定の設計詳細について開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
開示する設計詳細の一部は、ＲＳＣの特定の機構部又は特性に関するものである。例えば、ある場合には、ＲＳＣの活性領域及び不活性領域と抽出機構部との関係を規定するために、ＲＳＣの活性領域と不活性領域を区別することが重要となり得る。ある場合には、以下で最短ポテンシャル井戸距離と呼ばれるＲＳＣの特性を識別し、このパラメータtと抽出機構部との間の関係を規定することを目指すことが重要となり得る。ある場合には、ＲＳＣと共に使用するのに有利な抽出機構部を規定する目的で、ＲＳＣの更に他の特性を識別することが重要となり得る。
【００１３】
本願はしたがって、とりわけ、半導体層のスタックを有する装置を開示する。このスタックは活性領域と第１の不活性領域とを有する。活性領域は少なくとも第１のポテンシャル井戸を有し、活性領域は第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光に変換するように構成されている。第１の不活性領域は、スタックの外側表面から活性領域へ延びており、第１の不活性領域の中を伝播する第１の波長λ１の光が実質的に他の光に変換されないことを特徴としている。スタックの外側表面から活性領域までの距離は、第１の不活性領域の厚さに相当している。このスタックはまた、外側表面から第１の不活性領域の中へと延び、そのスタックの中に形成された複数の凹部を有し、それらの凹部は平均凹部深さによって特徴付けられ、平均凹部深さは第１の不活性領域の前記厚さの少なくとも５０％である。
【００１４】
また、半導体層のスタックを有する装置が開示される。このスタックは活性領域と第１の不活性領域とを有する。活性領域は少なくとも第１のポテンシャル井戸を有し、活性領域は第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光に変換するように構成されている。第１の不活性領域は、スタックの外側表面から活性領域へと延びており、第１の不活性領域の中を伝播する第１の波長λ１の光が実質的に他の光に変換されないことを特徴としている。第１のポテンシャル井戸は、スタックの外側表面に最も近いポテンシャル井戸であり、かつスタックの外側表面から第１のポテンシャル井戸までの最短ポテンシャル井戸距離によって特徴付けられる。このスタックはまた、外側表面から第１の不活性領域の中へと延びる、スタックの中に形成された複数の凹部を有し、それらの凹部は平均凹部深さによって特徴付けられ、平均凹部深さは、最短ポテンシャル井戸距離の少なくとも５０％である。
【００１５】
また、第１の波長の光を吸収し、第２の波長の光を発光するように構成された半導体層のスタックを有する多層半導体構造が開示される。このスタックは、ポテンシャル井戸と、第１の半導体層と、第２の半導体層とを有する。第１の半導体層は、第１の波長の光を吸収し、屈折率ｎ１を有する。第２の半導体層は、屈折率ｎ２を有し、スタックから第２の波長の光を抽出するための複数の抽出構造を有する。屈折率ｎ２はｎ１と同じかそれよりも大きい。
【００１６】
また、関連する方法、系、及び物品についても議論する。
【００１７】
本願のこれらの態様及び他の態様は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。しかしながら、いかなる場合も、上記の要約は、請求する主題を限定するものとして見なされるべきではなく、その主題は添付の特許請求の範囲によってのみ定義され、特許請求の範囲は手続処理の間に補正できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】組合わせ式ＬＥＤ／ＲＳＣ装置の概略的側面図。
【図２】ＲＳＣを有する特定の半導体層スタックの概略的側面図。
【図３】図中で抽出機構部の設計に関連する様々な設計パラメータが識別される、ＲＳＣを有する一般化された半導体層スタックの概略的断面図。
【図４】例示的な抽出機構部パターンの平面図。
【図５】例示的な抽出機構部パターンの平面図。
【図６】モデル化された抽出機構部設計形状の概略的断面図。
【図７】モデル化された抽出機構部設計形状の概略的断面図。
【図８】モデル化された抽出機構部設計形状の概略的断面図。
【図９】モデル化された抽出機構部設計形状の概略的断面図。
【図９ａ】抽出機構部を含んでいる例示的な構造化表面の平面図。
【図１０】実験的に実現された抽出構造の透視投影図。
【図１１】図１０に示す経路に沿った、図１０の構造に関して測定された深さ輪郭の縦断面図。
【図１２】図１０に示す経路に沿った、図１０の構造に関して測定された深さ輪郭の縦断面図。
【図１３】ＲＳＣ内に製作された抽出構造の光学顕微鏡写真をグレースケールで表わした図。
【００１９】
これらの図において、同様の参照符号は同様の要素を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで図３を参照すると、ＲＳＣを有する又は構成する、一般化された半導体層スタック３１０の概略的断面図が示されており、ここで抽出機構部の設計に関連する様々な設計パラメータが識別される。留意されたいことに、図２の装置に示すように、スタック３１０の個々の層は、説明を簡単にするために更に一般化するために、図３の概略的な図面には含められていない。スタック３１０は、図１のＬＥＤ  １０２などのポンプ光源、又はレーザーダイオードなどの別のエレクトロルミネッセンスデバイス、又は任意の他の好適な光源と共に使用するように設計できる。ＬＥＤと共に使用される場合、スタック３１０は、例えば図１に示すようにＬＥＤに結合していてもよく、あるいはＬＥＤからは分離していてポンプ光を受容するためにレンズ、光導体、又は他の好適な手段を伴ってＬＥＤに連結していてもよい。
【００２１】
通常、スタックは巨視的な観点からすると公称では平坦でかつ平面的であり、したがってｚ軸がスタックの平面に対して垂直となるように、デカルトｘ−ｙ−ｚ座標系が図に含められている。ｚ軸はスタックの成長方向、すなわちスタックの製作の間に構成層の成長がそれに沿って生じる方向を表わし得るものである。その場合、スタックの第１の外側表面３１２は「開始表面」と呼ばれてもよく、その反対側のスタックの第２の外側表面３１４はスタックの「終端表面」と呼ばれてもよい。別法として、スタックの成長方向は負のｚ方向にあってもよい。その場合、第１の外側表面３１２は「終端表面」と呼ばれ、第２の外側表面３１４はスタックの「開始表面」と呼ばれる。「開始表面」及び「終端表面」、並びに「開始」層及び「終端」層などの関連する用語は、スタックの経時的な成長順序を示すものである。留意されたいことに、１番目に成長される半導体層が、ある設計上の目的で後にエッチング除去される場合、２番目に成長される半導体層が開始層とみなされ、その２番目に成長される層の外側表面がスタックの開始表面と見なされる。同様に、最後に成長される半導体層が後にエッチング除去される場合、最後から２番目に成長される半導体層がスタックの終端層とみなされ、この層の外側表面がスタックの終端表面と見なされる。
【００２２】
スタック３１０の横方向境界が波線で示されており、スタックがｘ−ｙ平面に沿って横方向に延在し得ることを示している。
【００２３】
スタック３１０は、少なくとも２つの領域、つまり、活性領域３１６と第１の不活性領域３１８とで構成されているとみなすことができる。図３の実施形態において、スタック３１０はまた、第２の不活性領域３２０を有している。活性領域は少なくとも第１のポテンシャル井戸３２２を有し、活性領域はポテンシャル井戸の遷移エネルギーに対応して、第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光に変換するように構成されている。活性層はまた、ポテンシャル井戸に近接する１つ以上の吸収層を有してもよく、その吸収層は、ポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するものである。第１の不活性領域３１８は、スタックの外側表面３１４から活性領域３１６へと延びており、第１の不活性領域３１８の中を伝播する第１の波長λ１の光が実質的に他の光に変換されないことを特徴としている。第２の不活性領域３２０は、外側表面３１２から活性領域３１６へと延びることを除いて、第１の不活性領域と類似している。第１の波長λ１のポンプ光の５つの例示的な光線が、外側表面３１２にてスタックに入射する様子が示されており、この外側表面３１２は、ポンプ光源に面しているため、スタックの「照明表面」と呼ばれてもよい。第１の光線３２４ａは第２の不活性領域３２０において吸収されるが、その結果として実質的な光の再発光を生じることはない。第２及び第３の光線３２４ｂ、３２４ｃは活性領域３１６において吸収され、それぞれ第２の波長λ２（又は他の再発光波長）の再発光光を発生させている。第４の光線３２４ｄは第１の不活性領域３１８において吸収される、その結果として実質的な光の再発光を生じることはない。第５の光線３２４ｅはスタック３１０のいかなる部分にも吸収されず、外側表面３１４にて抽出機構部を通過してスタックを抜け出している。
【００２４】
留意されたいことに、活性領域と不活性領域との境界は、スタック３１０の個別の層の間の物理的な境界又は界面と一致してもよく、また一致しなくてもよい。例えば、ポンプ光を吸収する一様な半導体層が、ポテンシャル井戸に隣接して配設されており、かつ半導体材料の電荷キャリアの拡散距離よりも相当に厚い厚さを有している場合、この層のポテンシャル井戸に近接する部分、例えば、ポテンシャル井戸の境界から少数キャリアの拡散距離の１倍又は２倍以内にある部分は、活性領域の一部であるとみなされてもよく、この層の残部は、ポテンシャル井戸から更に離れたものであるが、不活性領域の一部であると見なされ得る。層の近接部分において吸収されたポンプ光は電子正孔対を発生させ、これらの電子正孔対は、ポテンシャル井戸へ移動して放射再発光を発生させることが可能である。層の遠方部分において吸収されたポンプ光もまた電子正孔対を発生させ得るが、それらの電子正孔対は、ポテンシャル井戸内のキャリアと比べて、非放射的に再結合する可能性がより高く、したがって顕著な再発光を発生させることはない。
【００２５】
したがって、例えば、ＲＳＣが、半導体吸収層で分離された複数のポテンシャル井戸を有するメイン層群を有しており、「開始」ポテンシャル井戸がメイン層群の一方の側に、「終端」ポテンシャル井戸がメイン層群の反対の側にあり、ＲＳＣがまた、メイン層群のこれらの両方の側に配設された厚い半導体吸収層を有している場合、活性領域は、例えば、（１）メイン層群と、メイン層群の境界から少数キャリア拡散距離の１倍以内にある厚い吸収層の各部分との組合わせ、又は、（２）メイン層群と、例えば、メイン層群の境界から少数キャリア拡散距離の２倍以内にある厚い吸収層の各部分との組合わせに相当してもよい。
【００２６】
半導体層スタックの種々の層又は領域の屈折率もまた重要となり得る。ある場合には、活性領域内で生成された光が内部全反射（ＴＩＲ）によって不活性領域に入射することを妨げられないように、不活性領域は、例えばポンプ波長であるいは再発光波長で測定したときに、活性領域の屈折率ｎ１に等しいかそれよりも大きい屈折率ｎ２を有することが望ましくなり得る。更に、スタックは、活性領域中の屈折率ｎ１の第１の層と不活性領域中の屈折率ｎ２の第２の層との間に配設されたスタックの任意の層に関して、ＴＩＲを回避するためにその層の屈折率がｎ２以下となるように設計されてもよい。
【００２７】
更に、いくつかの実施形態において、層スタックは、活性領域中の屈折率ｎ１の第１の層と不活性領域中の屈折率ｎ２の第２の層との間に配設されたキャリア障壁層を有してもよい。キャリア障壁層については、２００８年６月２６日に出願され参照によって本明細書に組み込まれる係属中の米国特許出願第６１／０７５，９１８号、「半導体光変換構造（Semiconductor Light Converting Construction）」（代理人整理番号６４３９５ＵＳ００２号）においてより詳しく議論されている。電荷キャリアが不活性層の中に移動し非放射的に結合することを防止するために、キャリア障壁層は好ましくは、少なくとも第２の層よりも高いバンドギャップエネルギーを有している。しかしながら、バンドギャップを増加させた材料は多くの場合、減少した屈折率を有しており、したがって、キャリア障壁の屈折率がｎ１未満である場合、その材料は好ましくは光学的に薄く、例えば内部全反射のエバネッセント場の浸入深さよりも薄く作製され、第１の層において再発光された光のＴＩＲが回避される。
【００２８】
図３に戻ると、スタック３１０は、外側表面３１４に設けられた凹部３２６の形態をなす複数の抽出機構部を有している。凹部３２６は、規則的な反復パターンで配列しても、非反復的なあるいは不規則的な構成で配列してもよい。凹部は、凹部深さ３２８、開口寸法３３０、及び間隔又はピッチ３３２によって特徴付けできる。凹部が、これらのパラメータのいずれかにおいて、凹部同士の間で相当な変動性を示す場合、適切なパラメータの平均を用いられることができる。規則的な配列の場合、各凹部に関してこれらのパラメータは全て同一であっても又は実質的に同じであってもよい。凹部の設計において一様であることの１つの利点は、最適な性能をより一貫して得ることができる能力である。例えば、ウェットエッチング技術を用いて凹部が形成される場合、開口寸法の変動が、対応する変動を凹部深さに発生させることがある。そのような深さの変動は、特に不活性領域の厚さなど、所与の値よりも大きな深さを有する凹部がないことが望まれる場合、達成可能な最大の平均凹部深さに実際的な制限を与えることがある。言うまでもなく、設計者が、深さ、開口寸法、あるいは形状などにおいて、凹部を公称では同じにしたいと望む場合でも、通常のプロセスに関連する不均一性又は欠陥は、それらがエッチング剤溶液の不均一性又は欠陥であっても、あるいはエッチングされる材料の不均一性又は欠陥であっても、あるいは環境条件の不均一性又は欠陥であっても、凹部の全集合又はそのいくつかの重要な部分集合について測定すると、幾つかの有限のパラメータ変動を必然的に導入することになる。
【００２９】
図３は、不活性領域３２０内ではなく不活性領域３１８内に形成された抽出機構部を示しているが、他の実施形態において、抽出機構部は領域３１８ではなく領域３２０内に形成されてもよく、あるいは、抽出機構部は不活性領域３１８と３２０の両方に、すなわち半導体スタック３１０の両側に形成されてもよい。
【００３０】
抽出機構部の他の重要な設計上の態様は、機構部の形状、輪郭、又は外形である。凹部３２６は、例えば、概ね曲線状の又はＵ字形状の末端部を伴って示されている。これらの凹部それぞれの表面の相当な部分が、例えば、ｘ−ｙ平面に対して斜角をなして傾斜した表面で構成されている。このことは、凹部の投影領域又は平面図について検討する場合、例えば、負のｚ方向に沿って上方（図３を参照）からスタックを見るときに特に当てはまる。他の抽出設計では他の形状が利用される。例えば、ある設計は、ｘ−ｙ平面に対して斜角をなして傾斜するか、あるいは例えば１０度〜８０度の範囲で傾斜する、おおよそ比例的な表面領域を有するものであってもよい。垂直の側壁と平坦な水平の末端部のみを有する設計は、ｘ−ｙ平面に対して斜角をなして傾斜する表面領域を実質的に有さないものとなり得る。
【００３１】
本発明者らが研究した更に別の設計パラメータは、抽出機構部のパターンである。あるパターンは不規則的であってよく、他のパターンは高度に規則的でかつ均一であってよい。高度に規則的なパターンは、抽出機構部間のピッチが十分に小さい場合、フォトニック結晶として知られるナノ構造を作製するために使用できる。フォトニック結晶は、発光の状態密度を改善するために、また装置から発光された光の角度分布を制御するために使用できる。一般にフォトニック結晶の場合、孔パターンΛのピッチは材料中の発光波長λ２／ｎに概ね等しい。可視発光体の場合、２００ｎｍ未満のピッチを有する孔パターンと、約１００ｎｍの直径が、効果的な結果を求めて用いられる。そのような機構部の製作は通常、電子ビ―ムリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、又は他の高度先進のパターン形成技術を要求する。対照的に、材料中における発光波長λ２／ｎよりも相当大きな、あるいは空気中における発光波長λ２よりも大きなピッチが、ＲＳＣからの抽出効率を向上させる上で効果的となることを、本発明者らは見出した。ある場合には、そのピッチは、空気中における発光波長λ２の少なくとも１倍、２倍、３倍、４倍、又は５倍となり得る。比較的大きな機構部寸法が、通常の接触式又は近接式のフォトリソグラフィツールを使用してパターン形成できる。
【００３２】
また、凹部のパターンは実装密度によって特徴付けできる。実装密度は、外側表面を上方から見た場合に、すなわち平面視において、複数の凹部が占める面積の百分率として定義できる。
【００３３】
また、本発明者らの研究により、半導体スタックの特定の設計パラメータは、最適設計された抽出機構部に呼応することができると示された。これらのパラメータには、凹部が形成される不活性領域の厚さ３３４、及び最短ポテンシャル井戸距離３３６が挙げられる。最短ポテンシャル井戸距離３３６は、スタックの外側表面３１４からその外側表面に最も近いポテンシャル井戸までの距離であり、そのポテンシャル井戸は図３の場合、ポテンシャル井戸３２２であると見なされる。（留意されたいことに、最短ポテンシャル井戸距離は、スタックの特定の外側表面を基準とするものであり、したがって例えば、抽出機構部がスタックの両側に形成されている場合、スタックのある表面又は側面に対する最短ポテンシャル井戸距離は通常、スタックの別の表面又は側面に対する最短ポテンシャル井戸距離とは異なるものである。）また、スタック３１０の別の特徴的な距離、つまりスタック厚さ３３８が図３に示されており、このスタック厚さ３３８は、スタックの外側表面３１２と３１４との間で測定されるものである。一般に、コストが削減され、導波路モードと抽出機構部との相互作用がより強くなるために、より薄い構造が望ましいが、これらの効果は、機械的な取扱いの難しさ及び生じ得る寿命効果によって相殺する可能性がある。いくつかの実施形態において、活性領域又は活性領域のポテンシャル井戸に浸入することなく、可能な限り多数のスラブ導波モードを中断させるために、凹部深さ３２８は、スタック厚さ３３８の約５０％であってもよい。
【００３４】
本発明者らの研究の一部として、本発明者らは電磁気シミュレーションを実施して、ＲＳＣに対する最適な光抽出設計の特徴を特定する手助けにした。有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）シミュレーションを光学モデルに対して用いた。ＦＤＴＤシミュレーション法は、偏光効果及びコヒーレンス効果を含めた関連する全ての光学的特性を考慮し、したがってＲＳＣの光学性能に対する信頼性の高い設計ツールとなるものである。
【００３５】
図３の実施形態に示した基本的なＲＳＣ装置構造は、モデル化原型として使用されたものである。具体的には、このモデルでは、ＲＳＣ又は層スタックが、可変厚さＴ（図３の厚さ３３４を参照）及び屈折率２．６４６の頂部不活性領域と、厚さ６００ｎｍ及び屈折率２．６４６の中央部活性領域と、厚さ５００ｎｍ及び屈折率２．４５の底部不活性領域とを有することが想定されている。言うまでもなく、この文脈における「頂部」及び「底部」は、識別を目的としたものに過ぎず、重力に関連する特定の方向を暗示するものではない。モデルで用いられる屈折率及び他の材料特性は、ＲＳＣでの使用に好適であるＣｄＭｇＺｎＳｅ材料の典型的な屈折率に基づいている。頂部不活性領域は空気（屈折率１．０）に暴露されるようにモデル化され、底部不活性領域は屈折率１．５の媒質に暴露されるようにモデル化されたが、この屈折率１．５は、例えばＲＳＣをＬＥＤに結合するために使用できる結合材料に典型的なものである。両方の不活性領域、並びに空気媒体及び結合物質媒体は、光の吸収性を有さないと想定されたものである。
【００３６】
ピッチΛ（図３の寸法３３２を参照）、開口寸法ＡｐＳ（図３の寸法３３０を参照）、凹部深さＤＤ（図３の寸法３２８を参照）、不活性領域厚さＴ（図３の寸法３３４を参照）、並びに、凹部輪郭及び凹部パターンは、研究のためのパラメータとして最初に選択されたものである。このモデルは、ポンプ光が屈折率１．５の結合材料内の分散光源から注入されると想定し、スタックの上方の空気中のある位置で収集された再発光光の量を算出するものであった。したがって、このモデルは装置の抽出効率の点において、ＲＳＣ又は層スタックの性能によって特徴付けられた。本明細書におけるシミュレーション又はモデル化の結果（例えば以下の表２〜５を参照）に関連して報告する抽出効率は、別段の指定がない限り、スタックの出力側（例えば図３の表面３１４）から発光された（例えば波長λ２の）再発光光の電磁束を、活性領域のポテンシャル井戸内で生成された（例えば波長λ２の）再発光光の電磁束で除算した比として算出される。
【００３７】
一連のモデルにおいて、本発明者らは、ピッチΛ、開口寸法ＡｐＳ、及び不活性領域厚さＴを変化させることの効果を調べた。これらのモデルは、抽出機構部が、図４の平面図に示す凹部パターン４１０を有する同一の凹部であると想定したものである。平面図における個々の凹部は、参照符号４１２で示される。このパターンは、約５０％の実装比を有している。切断線４１４が貫通した凹部の横断面輪郭を、図６のモデル化されたＲＳＣ  ６１０に示めす。このＲＳＣは、第１の不活性領域６１２と、活性領域６１４と、第２の不活性領域６１６とを有している。ＲＳＣの外部表面は、表面６１２ａ及び表面６１６ａである。表面６１２ａは、その中に形成された凹部６２０を有しており、凹部６２０は、この一連のモデルにおいて図４の凹部４１２に相当している。凹部６２０は、図示のように曲線状の側壁を有する概ねＵ字形状の末端部を有している。そのような曲線状の機構部は、既知のウェットエッチング技術で達成し得る。表面６１６ａは、結合材料６１８にさらされている。様々な層に想定される厚さ及び屈折率は、上で説明した通りである。
【００３８】
この一連のモデルの結果を表２に示す。この表において、抽出効率に加えて、「改善度」が更に示されている。この改善度は、モデル化された特定の装置の抽出効率を、同一の装置であるが抽出機構部を持たない、すなわち不活性領域６１２の外側表面内に形成された凹部を持たない装置の抽出効率で除算した比である。したがって、例えば、２という改善度は、抽出機構部を持つ実施形態が、抽出機構部を持たない実施形態の抽出効率と比較して、２倍の抽出効率（１００％向上）を有していたことを意味する。
【００３９】
【表２】
2012526392.tif 000004
【００４０】
留意されたいことに、これらの実施形態それぞれの開口寸法ＡｐＳは、ピッチの値Λと対応している。Λ＝２．８μｍに対してはＡｐＳ＝２μｍ、Λ＝０．７μｍに対してはＡｐＳ＝０．５μｍである。このデータにより、抽出効率が不活性領域厚さＴに対してエッチング深さ又は凹部深さＤＤを増加させることによって向上できることが分かる。例えば、少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、又は９０％の比率が望ましいものとなり得る。凹部深さはまた、実質的に不活性領域の厚さの１００％であってもよい。凹部深さが更に増加される場合、凹部は隣接する活性領域６１４内の材料を除去又は移動させ始める。抽出効率を最大化するという観点からは、相当な量の材料を活性領域から除去すること、例えば、ポテンシャル井戸の各部分を除去することは、望ましくないことになり得る。したがって、少なくともいくつかの例における凹部深さ又は平均凹部深さは、好ましくは、不活性領域厚さの１００％以下である。
【００４１】
多数の実際的な実施形態において、最も近いポテンシャル井戸、例えば不活性領域６１２の最も近くにある活性領域６１４内のポテンシャル井戸は、不活性領域の比較的近くにある。したがって、上記の結果に基づいて、凹部深さＤＤと最短ポテンシャル井戸距離（図６において、表面６１２ａから領域６１４内の最も近いポテンシャル井戸までの距離）との比を少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、又は９０％、かつ好ましくは１００％以下に維持することもまた望ましくなり得る。
【００４２】
凹部深さと不活性領域厚さとの比の点から、あるいは凹部深さと最短ポテンシャル井戸距離との比の点から抽出機構部を特徴付けることに代わって（あるいはそれに加えて）、抽出機構部はその代わりに（あるいは更に）、凹部の底部又は末端部から不活性領域の境界まで、あるいは最も近いポテンシャル井戸の境界までの距離（又は平均距離（凹部の全集合に対して平均化されたか、あるいはその全集合のうちの幾つかの主要な部分集合に対して平均化されたかに関わらない））によって特徴付けられてもよい。そのように特徴付けられたこれらの距離のいずれか又は全ては、好ましくは、７５０ｎｍ未満、又は５００ｎｍ未満、又は２５０ｎｍ未満、又は１００ｎｍ未満である。
【００４３】
ある場合には、ＲＳＣ内における光の伝播は、スラブ導波路内における光の伝播として近似することができる。活性領域及び不活性領域（複数を含む）又はそれらの各部分の相対屈折率に応じて、導波特性は、ＲＳＣの全厚に、あるいはその全厚の数分の１のみに限定され得る。凹部の深さは、活性領域における光の再生に不利な影響を与えることなく、可能な限り多くの平面導波路（例えば、スタックのうちの高屈折率の部分に代表される）を分断させるように選択できる。したがって、例えば、本明細書で説明する凹部又は他の抽出機構部は、スタック又はＲＳＣの全厚の５０％より大の不活性領域の厚さを有する不活性領域内に形成できる。しかしながら、いくつかの実施形態において、スタックの全厚は比較的屈折率の低い不活性領域を有してもよく、その不活性領域はＲＳＣ内に導波路の部分を効果的に形成するものではない。そのような場合、抽出機構部は導波路の部分を効果的に形成する屈折率がより高い第２の不活性領域内に設けてもよく、この第２の不活性領域は活性領域の厚さよりも厚さが大である。
【００４４】
別の一連のモデルにおいて、本発明者らは抽出機構部の横断面形状又は輪郭の効果を調べた。このモデル化もまた、同じパターン４１０の凹部を想定したものであるが、切断線４１４が貫通した凹部の横断面の輪郭は、ここではモデル化された図７のＲＳＣ  ７１０へと変更されている。不活性領域６１２が不活性領域７１２で置き換えられていることを除き、このＲＳＣは図６のＲＳＣ  ６１０と同じであり、したがって同じ参照符号が多数の構成要素に用いられている。この領域７１２は外側表面７１２ａを有し、この外側表面７１２ａ内に同一の凹部７２０が形成されており、凹部７２０はここでは図４の凹部４１２に対応している。図示のように、曲線状の表面の凹部６２０とは対照的に、凹部７２０は概ね長方形の形状の末端部を有しており、曲線状の側壁と斜角をなして配設された表面とを実質的に有していない。図７の長方形の形状の輪郭は、特定のドライエッチングプロセスで達成可能となり得る。様々な層に想定される厚さ及び屈折率は、ここでも上で説明した通りである。
【００４５】
この一連のモデルの結果を表３に示す。
【００４６】
【表３】
2012526392.tif 000005
【００４７】
ここでも、開口の寸法ＡｐＳが、これまでと同様にピッチの値Λと対応している。このデータにより、曲線状の表面、及び／又は斜めに傾いた表面は、抽出効率を向上させるのに役立ち得ることが分かる。好ましくは、抽出機構部の表面の相当な部分が曲線をなすかあるいは斜角をなして傾斜している。例えば、平面図における所与の凹部の所与の投影面積に関して言えば、領域の少なくとも２０％、又は少なくとも４０％、６０％、若しくは８０％が、曲線をなすかあるいは層スタックの平面に対して斜角をなして傾斜する表面に相当していることが好ましい。更に、この領域の百分率は好ましくは、例えば、１０度〜８０度の範囲で斜角をなして傾斜する表面に相当し得る。
【００４８】
多くの一般的なエッチングプロセスにおいて、正方形又は長方形などの分割された形状を有する凹部よりも、丸み付きの平面図形状又は開口を有する凹部を製作する方が容易である。したがって、本発明者らはまた、平面図での種々の抽出機構部の形状の効果についても調べた。更なる一連のモデルにおいて、本発明者らは、正方形又は菱形形状の開口を有する凹部を含んだ凹部パターンを、図５に示す凹部パターン５１０と比較した。パターン５１０において、個々の凹部５１２は円形の開口を有している。留意されたいことに、選択された円の直径（ＡｓＰは公称でΛと等しくなるように選択された）に関する、開口の形状のこの変化もまた、実装比を変化させる。パターン５１０は、先に定義された約７９％の実装比を有する。
【００４９】
この一連のモデルに関し、図４の正方形の開口パターンを図６のＵ字形状をなす凹部の輪郭と組み合わせた上述の実施形態であって、本明細書では第１の実施形態と呼ばれるものを、図５の円形の開口パターンを実質的に図６に類似したＵ字形状をなす凹部の輪郭と組み合わせた類似の実施形態であって、本明細書では第２の実施形態と呼ばれるものと比較した。したがって、第２の実施形態で使用した凹部が示した切断線５１４（図５）に沿った横断面の輪郭は、図６に示されるＵ字形状の輪郭と類似したものであり、ＡｐＳ／Λの比の変化に合わせて横方向の倍率の調節がなされている。
【００５０】
この一連のモデルの結果を表４に示す。
【００５１】
【表４】
2012526392.tif 000006
【００５２】
本発明者らが観察したところでは、円形の開口を有する（with itcircular apertures）第２の実施形態は、正方形の開口を有する第１の実施形態よりもわずかに低い抽出効率を与える。
【００５３】
更に別の一連のモデルにおいて、本発明者らは、抽出機構部の種々の横断面形状又は輪郭について、更なる研究を実施した。このモデル化もまた、正方形の形状の開口を有する、図４の凹部パターン４１０を想定したものである。本発明者らは３つの実施形態、つまり、切断線４１４が貫通した横断面（長方形の形状をなす輪郭）が図７に示されている第１の実施形態と、切断線４１４が貫通した横断面（Ｖ字形状の輪郭）が図８に示されている第２の実施形態と、切断線４１４が貫通した横断面（オーバーエッチングされたＵ字形状の輪郭）が図９に示されている第３の実施形態とを比較した。不活性領域６１２が不活性領域８１２で置き換えられていることを除き、図８のＲＳＣ  ８１０は図６のＲＳＣ  ６１０と同じであり、したがって、同じ参照符号が、多数の構成要素に用いられている。この領域８１２は外側表面８１２ａを有しており、この外側表面８１２ａ内に、同一の凹部８２０が形成されている。図示のように、曲線状の表面の凹部６２０とは対照的に、凹部８２０は概ねＶ字形状の末端部を有しており、曲線状の側壁を実質的に有さないが、実質的に全体的に斜角をなして配設された側部表面を有している。図８のＶ字形状の輪郭は、選択エッチング剤、すなわち異なる結晶方向に対して異なるエッチング速度を有するエッチング剤を使用して、あるいは、グレイスケールリソグラフィ技術を用いて実現可能となり得る。
【００５４】
本発明者らは、多種多様なフォトリソグラフィ技術のうちのいずれか、又はそれらの組合わせを用いて、本明細書で開示する抽出機構部を形成することを考えている。コンタクトリソグラフィ、干渉リソグラフィ、投影リソグラフィ、インプリントリソグラフィ、及び、露光マスクとしてあるいはフォトレジストとして働く自己組織化粒子に基づいたパターン形成は、少数の例に過ぎない。
【００５５】
同様に不活性領域６１２がここでは不活性領域９１２で置き換えられていることを除き、図９のＲＳＣ  ９１０は図６のＲＳＣ  ６１０と同じであり、同じ参照符号が、多数の構成要素に用いられている。この領域９１２は外側表面９１２ａを有しており、この外側表面９１２ａ内に、同一の凹部９２０が形成されている。凹部９２０は、曲線状の概ねＵ字形状の末端部を有しており、これらの末端部は凹部６２０の末端部と類似している。しかしながら、凹部９２０は例えばエッチング剤溶液を用いて作製され、エッチング剤溶液は、少なくとも図９に示す横断面図から見て、隣接する凹部の間の領域９１２の上側部分を完全に除去していた。
【００５６】
この一連のモデルの結果を表５に示す。
【００５７】
【表５】
2012526392.tif 000007
【００５８】
図９の構造化表面の興味深い特徴として、図９の横断面図から見て、領域９１２における隣接する凹部の間の刃先形状の構造の高さ９１２ｂが減じられていることである。留意されたいことに、他の横断面図において、凹部９２０の間の高さのそのような低減は、存在したり存在しなかったりする可能性がある。形成される３次元構造の性質に応じて、低減された高さ９１２ｂに存在するナイフエッジ形状の突出部を不活性領域９１２の外側表面と見なすことが適切であろう。例えば、図９ａの平面図に示される抽出表面９４０を参照する。表面９４０は、平坦な外側表面上に設けられた円形の開口９５０のパターンを有するマスクを介してエッチングすることによって形成された。エッチングが開口を通過して表面の中に進行し、やがて平面視においておおよそ円形の開口形状を有する凹部９５２が形成される。材料の支柱９５４は、その上部表面がエッチング前の元の平坦な外側平面と一致するものであるが、図示のように依然として所定位置のままである。この構造化表面を切断線９５８に沿った横断面図で見ると、隣接する凹部の間のナイフエッジ形状の構造９５６が観測されることになる。しかしながら、この構造化表面を切断線９６０に沿った横断面で見ると、そのようなナイフ形状の構造は観測されず、元の平坦な外側表面と一致する平坦な頂部を有する支柱９５４が代わりに観測されることになる。
【００５９】
製作実施例
本発明者らは、斜めに傾いた側壁を有する凹部によって形成された抽出構造を有するＲＳＣ装置を製作した。ＩＩＩ〜Ｖ（ＩｎＰ）ウェーハ基板上に成長させたＣｄＭｇＺｎＳｅ及び類似のＩＩ〜ＶＩ半導体材料を使用して、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）成長技術を用いてこのＲＳＣ装置を作製した。このＲＳＣは、１つの活性領域内に配設された少なくとも１つのポテンシャル井戸と、１つの不活性領域とを有するものであった。不活性領域は、比較的厚い（約１マイクロメートル）ＩＩ〜ＶＩ窓層に実質的に相当するものであり、その外部表面はＲＳＣの外部表面を形成するものであった。
【００６０】
本明細書における製作実施例と関連して記載される「抽出効率」は、別段の指定がない限り、スタックの出力側（例えば図３の表面３１４を参照）から発光された（例えば波長λ２の）再発光光の電磁束を、スタックに吸収される（例えば波長λ１）のポンプ光の電磁束で除算した比として算出されるものである。
【００６１】
まず、標準的なフォトリソグラフィを利用して、ＲＳＣのこの外部表面上に格子状パターンを画定した。フォトリソグラフィプロセスに続いて、化学エッチングを施してフォトレジストパターンをＲＳＣに転写し、段階的深さ輪郭（Ｕ字形状の末端部）を有するエッチング凹部を形成した。エッチング剤の化学的性質及びプロセスの選択は重要であった。完全な等方性エッチングにより、丸み付きの側壁を有する凹部が形成される。完全な異方性エッチングにより、直線的な側壁を有する凹部が形成され、その側壁は、異方性エッチングによってウェーハ（スタック）平面に平行な露出表面のみが腐食される場合には垂直となる。ウェット化学エッチング剤は、等方性エッチング又は異方性エッチングのいずれをも生じ得るが、異方性エッチング若しくは等方性エッチングと異方性エッチングとの双方の組合わせの潜在的利点を検討してもよい。
【００６２】
この実施例においては、等方性ウェット化学エッチングを用いた。本発明者らは、濃縮ＨＢｒ又はＨＢｒ溶液がＣｄＭｇＺｎＳｅのエッチングに良好な候補となることを見出した。材料組成によってエッチング速度が変動する問題に対処するため、エッチングをより迅速にしかつエッチングの制御をより良好にすべく少量のＢｒ２をエッチング溶液に添加した。この取り組みによって形成されたエッチング凹部１０１２の抽出表面１０１０のデジタル表示を、図１０の斜視図に示す。凹部１０１２は、ＣｄＭｇＺｎＳｅのＲＳＣ装置を室温でＨ２Ｏ：ＨＢｒ：Ｂｒ２＝１２０：２０：１の溶液に１５０秒間攪拌することなく浸漬することによって、外側表面１０１４においてエッチングしたものである。エッチングの後、試料からフォトレジストを剥ぎ取り、次いで表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で特性評価を行った。図１０に示す２つの経路１０１６、１０１８に沿ってＡＦＭ（ＡＦＴ）で走査することによって表面を特性確認した。図１１のトレース１１１０は、経路１０１６に相当する水平軸に沿った走査位置の関数として、ナノメートル単位で測定した相対的垂直位置又は高さを示す。図１２のトレース１２１０は、走査経路１０１８に対するものであることを別にすれば図１１のトレースと類似している。図１０〜１２で明らかなように、エッチング凹部はシミュレートした抽出構造と類似した側壁の輪郭を有している。
【００６３】
抽出機構部を有さないＲＳＣ試料と比較すると、図１０〜１２の曲線状の側壁を有する抽出パターンで作製したＲＳＣ試料は３倍に改善された波長変換効率を示し、最大で５０％の抽出効率を観測した。別の実施形態において、凹部は図１０の丸み付きの開口ではなく、正方形の形状の平面図開口を有するようにエッチングしてもよい。このことを、エッチング溶液によるアンダーカットの存在下で達成するために、フォトレジストマスクで使用されるパターンは、より理想的なエッチング構造を生じさせるように「事前に歪めておく」ことができる。例えば、角部にセリフ（serifs）を有する正方形パターンが利用できる。
【００６４】
更なるＲＳＣ装置を製作して抽出機構部を組み込んだ。これらのＲＳＣ装置は、ＲＳＣの成長基板の非存在下でＲＳＣの半導体層スタックをキャリア窓と組み合わせたものであり、この構造は「ＲＳＣキャリア装置」と呼ばれ、同一出願人によって出願された米国特許出願第６１／１７５６３６号、「ＬＥＤと共に使用するための再発光半導体キャリア装置及びその製造方法（Re-Emitting Semiconductor Carrier Devices For Use With LEDs andMethods of Manufacture）」（代理人整理番号第６５４３５ＵＳ００２号）に更に詳しく記載されている。小板（platelet）の形態をなすそのようなＲＳＣキャリア装置を、ウェーハの形態をなすＩＩＩ〜Ｖ半導体基板上での分子線エピタキシーによって成長させたＩＩ〜ＶＩエピタキシー層から製作した。公称のエピタキシー層（ＩｎＰ基板及びＧａＩｎＡｓバッファ層を含む）について以下の表６に記載する。ＲＳＣの層構成は、上で議論した逆向きの構成向けに設計したものであり、ＲＳＣの開始層はＲＳＣの照明表面となるように設計し、ポンプ光はその照明表面を通過してＲＳＣに入射する。このことは、例えば、ＲＳＣの活性領域（層成長順序第５〜１３の層）とＲＳＣの終端表面（シアン遮断体層（cyan blocker layer）の外部表面）との間におけるシアン遮断体層（成長順序第１５）の配置によって明らかとなり得る。
【００６５】
【表６】
2012526392.tif 000008
【００６６】
ＩＩ〜ＶＩ層スタック（成長順序２〜１５）は、４つのポテンシャル井戸を有するＲＳＣを形成する。これらの層をＩＩＩ〜Ｖ基板上に成長させた後、凹部又はピットの規則的な配列又はパターンの形態をなす光抽出機構部をＲＳＣの露出主表面に、すなわちシアン遮断体層の終端表面にエッチング形成した。ピットパターンは、通常の接触リソグラフィ及びウェットエッチングで達成したものである。Ｆｕｔｕｒｒｅｘ  ＰＲ１−１０００Ａフォトレジストをパターン形成して、約２μｍ径の開口又は開口部を作製し、中心間の間隔を４μｍとした六角形パターンで配列した。ＲＳＣの露出表面を、１００ｍｌのＨ２Ｏと２０ｍｌのＨＢｒと１ｍｌのＢｒ２（体積比）の溶液中で約４０秒間にわたってエッチングした。アンダーカットのために、この結果、約２μｍの半径を有するおおよそ半球形のエッチピット又は凹部が得られた。この抽出構造の光学顕微鏡写真をグレースケールで表示したものが、図１３に示す。この図において、凹部１３１０は、平面図における円形状の開口を有していることが明らかであり、これらの構造の横方向寸法は、提示された５．０マイクロメートルの目盛りで測定できる。図における暗色リング１３１２は、使用した照明配置のアーチファクトである。
【００６７】
フォトレジストの除去後、構造がテクスチャー化された側、すなわちＲＳＣの終端表面を、Ｎｏｒｌａｎｄ  ８３Ｈ熱硬化性接着剤（ニュージャージー州クランブリー（Cranbury）のノーランドプロダクツ社（Norland Products））を使用してキャリア窓として働くガラス製顕微鏡スライドカバーに接着し、１２０℃の加熱板上で硬化させた。スライドカバーは全ての可視光に対して実質的に透明であり、約１６７マイクロメートルの厚さと２５ｍｍ×２５ｍｍの横方向寸法を有するものであった。それに対し、成長基板ウェーハ及びＲＳＣは２０ｍｍ×２０ｍｍの横方向寸法を有するものであった。屈曲を防止するために、蝋を使用してスライドカバーの一方の側を顕微鏡スライドに貼り付け後にスライドカバーの残りの側をＲＳＣ／基板ウェーハに貼り付けけることによって、スライドカバーを補強した。短時間の機械的ラッピングに続いて、ＨＣｌ：Ｈ２Ｏが３：１の溶液中でエッチングすることによって、ＩｎＰベース層を除去した。エッチング剤は、ＧａＩｎＡｓバッファ層（成長順序１番目）において阻止された。次いでこのバッファ層を、３０ｍｌの水酸化アンモニウム（３０重量％）と、５ｍｌの過酸化水素（３０重量％）と、４０ｇのアジピン酸と、２００ｍｌの水からなる攪拌した溶液中で除去し、顕微鏡スライドカバー及び補強用顕微鏡スライドに貼り付けたＩＩ〜ＶＩ  ＲＳＣ（成長順序２番目〜１５番目の層）のみを残した。窓層よりも低いバンドギャップを有し、したがってポンプ波長の光を吸収する、露出した薄いＣｄＺｎＳｅ層（層２）もまた、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）システム（オクスフォードインスツルメンツ社（Oxford Instruments））を使用してアルゴン中でのショートプラズマエッチングによって除去した。エッチング条件は、１００Ｗの高周波電力にて〜８５秒を含むものである。別法として、この層は、ＨＢｒ：Ｈ２Ｏ：Ｂｒ２又はＢｒ２：メタノールを含む、ＩＩ〜ＶＩ化合物をエッチングするのに好適なウェットエッチング剤技術によって除去できる。
【００６８】
次いで、顕微鏡スライドを構造から取り除き、その結果、残されたもの全てはＲＳＣを構成するＩＩ〜ＶＩ層スタックとなったが、このＩＩ〜ＶＩ層スタックは、スライドカバーに貼り付けられて、ＲＳＣキャリア装置を形成しており、このＲＳＣキャリア装置は、破損を伴うことなく、またＲＳＣに損傷を与えることなく、実験室内で取り扱うことができた。次いで機械的なダイシングを用いて、ＲＳＣキャリア装置を小板形態に切断した。２０μｍのダイアモンド刃を有するディスコ（Disco）社のダイシングソーを使用して、試料を１ｍｍ×１ｍｍの正方形に切断した。これらの小板の有効性をＬｕｍｉｌｅｄｓ  ＲｅｂｅｌフリップチップＬＥＤに結合することにより試験した。ミシガン州ミッドランド（Midland）のダウコーニング社（Dow Corning Corp.）から購入したＳｙｌｇａｒｄ１８４熱硬化性シリコーンの小滴を所与のＬＥＤの上に分配し、次いでＲＳＣキャリア装置の小板をダイボンダ内でＬＥＤに結合した。結合した試料を１２５℃で１０分間硬化させた。光学測定が示すところによれば、青色ＬＥＤのポンプ光の大部分は緑色（再発光）光へ変換され、青色ポンプ光のごく一部が、接着剤を通過して漏出した。
【００６９】
上記の例はＩＩ〜ＶＩ半導体ＲＳＣ層に基づいているが、全てがＩＩＩ〜Ｖ半導体で作製されたものを含めて、他の種類のＲＳＣ層もまた考えられる。
【００７０】
別段の指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲において用いられる、数量、特性の測定値などを表す全ての数値は、「約」という語で修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、そうでない旨が明記されない限り、明細書及び「特許請求の範囲」に記載された数値パラメータは、本願の教示を利用する当業者が得ようと求める所望の特性に応じて変化し得る概算値である。均等論を「特許請求の範囲」に適用することを制限しようとする試みとしてではなく、各数値パラメータは少なくとも、記録された有効数字の桁数を考慮して、通常の丸め法を適用することによって解釈されるべきである。本発明の広範な範疇を示す数値的範囲及びパラメータは概算値であるにも関わらず、いかなる数値も本明細書で説明する具体的な例に記載されている限り、それらの数値は可能な限り合理的に正確に記されている。しかしながら、いかなる数値も、試験又は測定の限界に伴う誤差を含み得る。
【００７１】
本発明の趣旨及び範囲から逸脱することのない、本発明の様々な修正及び変更が、当業者には明らかであろう。また、本発明は、本明細書に記載した例示的な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。例えば、開示された一実施形態の特徴が、別段の指定がない限り開示する他の全ての実施形態にも当てはまり得ることを読者は想定すべきである。また、理解されたいこととして、本明細書で参照した全ての米国特許、特許出願公開、並びに他の特許及び非特許文献は、それらが前述の開示内容と矛盾しない限りにおいて、参照によって本明細書に組み込まれる。
【図１】
2012526392.tif 000009
【図２】
2012526392.tif 000010
【図３】
2012526392.tif 000011
【図４】
2012526392.tif 000012
【図５】
2012526392.tif 000013
【図６】
2012526392.tif 000014
【図７】
2012526392.tif 000015
【図８】
2012526392.tif 000016
【図９】
2012526392.tif 000017
【図９ａ】
2012526392.tif 000018
【図１０】
2012526392.tif 000019
【図１１】
2012526392.tif 000020
【図１２】
2012526392.tif 000021
【図１３】
2012526392.tif 000022
【国際調査報告】
2012526392.tif 000023
2012526392.tif 000024
2012526392.tif 000025