JP2023512589A - 多色発光構造 - Google Patents
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Abstract
発光構造を形成する方法であって、当該発光構造は、第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第1の発光領域と、第1の主ピーク波長とは異なる第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第2の発光領域と、第1の発光領域と第2の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された部分反射層を含み、当該部分反射層が、第1の発光領域により発せられた第1の主ピーク波長を有する光を反射し、第2の発光領域により発せられた第2の主ピーク波長を有する光が部分反射層を通過できるようにすべく構成されている、方法。
Description
本発明は、発光構造、及び発光構造を形成する方法に関する。具体的には、但し非排他的に、本発明は重ね合わされた多色発光ダイオード構造に関する。
発光ダイオード(LED)素子は広範な用途に有効な光源を提供することが知られている。LED光の生成及び抽出効率の向上は、より小型の(発光表面がより小さい)LEDの製造、及び異なる波長のLEDエミッタのアレイへの集積と共に、特に表示技術における多くの用途に高品質カラーアレイを提供している。
典型的に、このようなアレイは赤、緑及び青色発光の制御を必要とする。このような赤緑青(RGB)発光は通常、本来は異なる主ピーク波長の光を発するLEDにより、又は蛍光物質等の色変換材料を用いて、1個の主ピーク波長を少なくとも1個の他の主ピーク波長に変換するLEDにより提供される。例えば、いくつかの例において、青色LEDを蛍光物質と選択的に結合させてRGB発光を行うことができる。
有利な点として、本来のRGBLEDエミッタを用いることは、光の色変換が不要なため色変換処理で光が失われないことを意味する。しかし、複数色の光を発するLEDエミッタのアレイにおいて、例えばLEDのいくつかは主ピーク波長が赤色の光を発し、LEDのいくつかは主ピーク波長が緑色の光を発し、LEDのいくつかは主ピーク波長が青色の光を発するため、ある問題に直面する。
例えば、単一画素LED素子の発光表面領域が単色の主ピーク波長専用であり、赤、緑及び青色発光を行うために3色を生成する必要がある場合、往々にして、必要とされる光出力構成に応じて、一度に発光表面領域の比較的小さい部分だけを使用する場合がある。従って、充填率(全アレイ/ディスプレイ領域に対するアレイ/ディスプレイの発光領域の割合)が比較的低い場合がある。更に、複数の異なる色光エミッタを用いる場合、有効画素ピッチは、各色の光エミッタの面積の和であり、従ってLEDアレイ又はディスプレイの解像度が例えば有効画素ピッチに対応して下げられる。
上述の課題の少なくとも一部を解決すべく、以下を提供する。
発光構造を形成する方法であって、当該発光構造は、第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第1の発光領域と、第1の主ピーク波長とは異なる第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第2の発光領域と、第1の発光領域と第2の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された部分反射層を含み、当該部分反射層が、第1の発光領域により発せられた第1の主ピーク波長を有する光を反射し、第2の発光領域により発せられた第2の主ピーク波長を有する光が部分反射層を通過できるようにすべく構成されている。
更に、第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第1の発光領域と、第1の主ピーク波長とは異なる第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第2の発光領域と、第1の発光領域と第2の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された部分反射層を含み、当該部分反射層が、第1の発光領域により発せられた第1の主ピーク波長を有
する光を反射し(これにより第1の発光領域による第2の発光領域の照射を減らす)、第2の発光領域により発せられた第2の主ピーク波長を有する光が部分反射層を通過できるようにすべく構成された発光構造を提供する。
する光を反射し(これにより第1の発光領域による第2の発光領域の照射を減らす)、第2の発光領域により発せられた第2の主ピーク波長を有する光が部分反射層を通過できるようにすべく構成された発光構造を提供する。
利点として、このような仕方で発光構造を形成することにより、共通の発光領域にわたり極めて良好な色の均一性が得られる。更に、利点として、このような仕方で発光構造を形成することにより共通の発光領域から発光できるため、多色アレイ内の画素ピッチを狭めて発光構造のアレイの解像度を高めることができる。更に、利点として、本方法は、部分反射層により異なる波長の発光を分離して、ある発光領域を別の発光領域が励起するのを防止できるため、明度が増して光ルミネセンスが少ない発光構造を提供する。
好適には、第2の主ピーク波長は第1の主ピーク波長よりも長い。利点として、第2の主ピーク波長が第1の主ピーク波長よりも長いため、第2の発光領域から発せられた光は部分反射層を通過して発光構造から外へ出るが、第1の発光領域から発せられた光は部分反射層を通過しないため、第2の発光領域を照射しない。
好適には、発光構造は、第1の主ピーク波長及び第2の主ピーク波長を有する光が主発光表面領域を介して発光構造から発せられる主発光表面領域を含んでいる。利点として、発光構造は、複数の異なる光の波長に共通の発光表面を有している。利点として、発光表面が画素の発光表面領域を形成する場合、複数の光の波長が同一領域から発せられるため画素ピッチを狭めることが可能になる。
好適には、本方法は、第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第1の発光領域を含む第1の発光素子を、第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第2の発光領域を含む第2の発光素子に結合するステップを含んでいる。利点として、第1の発光素子及び第2の発光素子は個別に最適化された条件で個別に成長させることができる。利点として、第1及び第2の発光素子は、少ないステップで結合された構造に組み込まれた層を含めるべく成長させることができる。
好適には、第1の発光素子及び第2の発光素子は、各々が発光領域とn型領域とp型領域を含む発光ダイオード素子であり、第1の発光領域及び第2の発光領域は少なくとも1個のエピタキシャル量子井戸を含んでいる。利点として、個別に成長して最適化された発光ダイオード構造が結合されて多色発光ダイオード素子構造を形成する。
好適には、第1の発光素子と第2の発光素子の少なくとも一方が部分反射層を含んでいる。利点として、部分反射層を第1の発光素子と光第2の発光素子の少なくとも一方に含めることにより、第1及び第2の発光素子が互いに結合された場合、発光素子が互いに結合された場合に有利な特徴を提供する位置に部分反射層が形成されるため、方法のステップ数が減少する。
好適には、部分反射層は分散ブラッグ反射器(DBR)を含んでいる。利点として、DBRは、特に発光ダイオード構造を製造する成長処理の一部をDBRが形成できるため、発光構造の結晶品質を維持しながら、部分反射層の部分的反射特性を実装可能にするように、効率的に発光構造に組み込まれる。
好適には、発光構造は、第1及び第2の主ピーク波長とは異なる第3の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第3の発光領域を含んでいる。利点として、光の第3の主ピーク波長は同一の発光構造から3個の異なる波長の光を発することができる。利点として、赤緑青(RGB)色発光は、発光構造の3個の異なる発光領域を用いて実行される。
好適には、本方法は、第2の発光領域と第3の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された第2の部分反射層を含み、部分反射層は、第1の発光領域により発せられた第1の主ピーク波長を有する光及び第2の発光領域により発せられた第2の主ピーク波長を有する光を反射し、第3の発光領域により発せられた第3の主ピーク波長を有する光は通過させるべく構成されている。利点として、第2の発光領域により発せられた光は第2の部分反射層により反射されて第1の発光領域を通過し、第3の発光領域により発せられた光は第2の発光領域を通過する。従って、発せられた全ての光は発光構造の同一発光表面領域を通過して発光される。
好適には、結合は、第2の発光素子に対する第1の発光素子の配置を容易にするハンドリング素子の使用を含んでいる。利点として、ハンドリング素子の使用は発光構造の形成を効率的に行えることを意味する。好適には、本方法は、ハンドリング素子を第1の発光素子に結合するステップを含んでいる。利点として、第1の発光素子は次いで、発光構造の同じ側から発せられる主ピーク波長光の複数の波長を有する発光構造を形成する処理を容易にすべく、第2の発光素子に対して容易に移動及び配置することができる。
好適には、第1の発光素子及び/又は第2の発光素子は基板を含んでいる。利点として、第1及び/又は第2の発光素子は個別に基板上に形成されて高品質材料を提供する。
好適には、本方法は、好適には湿式エッチングを用いて第1の発光素子及び/又は第2の発光素子の基板を除去することにより、第1の発光素子と第2の発光素子を結合する表面を形成するステップを含んでいる。利点として、第1及び/又は第2の発光素子が当該基板上に形成されたならば、当該基板が除去されて結合対象の表面を形成する。従って、第1及び/又は第2の発光素子用の高品質材料が個別に提供され、第1及び第2の発光素子の表面が結合されて、1個の基板上に形成されたならば全体的に均一な材料完全性が得られないであろう単一の構造を形成する。
好適には、本方法は、第1の発光素子及び第2の発光素子を結合する前に第1の発光素子の基板を除去するステップを含んでいる。利点として、基板の選択は第1の発光素子を形成する際の適合性に基づいて行われ、別の基板を選択した場合に形成された光構造の性能を阻害し得る物理特性には基づかない。
好適には、本方法は、第1の発光素子と第2の発光素子が互いに結合された後でハンドリング素子を除去するステップを含んでいる。利点として、ハンドリング素子は、構造が形成されたならば取り外されるため、構造の形成を支援するハンドリング手段は、一旦形成された発光構造の性能を阻害しない。
好適には、本方法は、透明導電層を第1の発光素子に配置するステップを含んでいる。利点として、透明導電層は、光を通過させる層を提供すると共に、第2の発光素子に結合された際に、第2の発光素子への電気注入性能を向上させる電気特性を提供し続ける。
好適には、本方法は、透明導電層に更なるハンドリング素子を結合することにより、発光構造内における電極の形成を容易にするステップを含んでいる。利点として、ハンドリング素子の使用は、構造の他の部分を処理できること、例えば、発光構造の更なる処理のために成長基板を除去できることを意味する。
好適には、本方法は、1個以上の電極を形成するステップを含んでいる。利点として、当該電極が異なる発光領域への電気注入を可能にすべく形成されているため、発光構造からの発光の選択的な制御が可能になる。
好適には、本方法は、ビア孔をエッチングすることにより1個以上の電極の少なくとも1個を形成するステップを含んでいる。利点として、ビア孔は、別々の発光領域が別々の最適化された処理で形成され、結合されて形成された発光構造を貫通するエッチングにより1ステップでビア孔が形成されることにより、発光領域の制御された電気的接続を提供しながら処理ステップの数を減らすように形成された構造にエッチングされる。
好適には、本方法は、ビア孔の内壁の少なくとも一部の上に絶縁表面を形成するステップを含んでいる。利点として、ビア孔は、形成された発光構造を連続的に処理しながら、意図しない層との無用な電気的接続を回避するように構造を貫通する。
好適には、本方法は、ビア孔内に少なくとも部分的に含まれる導体を形成することにより接点の形成を可能にするステップを含んでいる。利点として、より効率的な処理を通じて処理を軽減して接続性を向上させるべく、発光構造の形成後に電気的接続を形成する。
好適には、発光構造の反対側でハンドリング層が基板に結合されている。利点として、発光構造の反対側で基板に結合されたハンドリング層を使用することで、発光構造を移動させる手段を提供しながら基板を除去することが可能になる。
好適には、本方法は、部分反射層を第2の基板上に形成された第2の発光素子に結合するステップを含んでいる。利点として、部分反射層は、第1の発光領域と第2の発光領域の間に配置されることにより、第1の発光領域と第2の発光領域の間で光の反射及び透過を制御する。
好適には、本方法は、部分反射層を第2の発光素子の透明導電層に結合するステップを含んでいる。利点として、第1の発光領域から発せられた光が部分反射層により反射され、第2の発光領域から発せられた光が透明導電層及び部分反射層を通過させる一方で、第2の発光素子の導電性が向上する。
好適には、発光構造は、ガリウム窒化物を主成分とする構造を含んでいる。利点として、ガリウム窒化物は高品質発光ダイオード素子を提供する特性で知られる。
好適には、発光構造は有機金属化学蒸着により少なくとも部分的に成長される。
好適には、第1の発光領域及び/又は第2の発光領域は1個以上のエピタキシャル量子井戸層を含んでいる。好適には、発光構造は1個以上の結晶性エピタキシャル化合物半導体層を含んでいる。利点として、結晶性化合物半導体エピタキシャル層の形成により、効率的な発光が得られると共に高品質材料が得られる。このような層により、DBR層を含む高品質の部分反射層の形成が可能になる。
本発明の更なる態様が以下の記述及び添付の請求項から明らかになろう。
本発明の実施形態の詳細について図面を参照しながら専ら例示的に記述する。
図1A~1Lに、発光特性が向上した二色発光構造を生成する方法のステップを示しており、発光構造の層を切断した断面図に関する記述により各ステップを示す。利点として、二色発光構造は一例において、二色発光構造のアレイに実装されていることにより二色ディスプレイを形成する。このようなディスプレイは、発光構造と制御電極アレイの協働により実装することができる。発光構造は、2個の独立した発光ダイオード(LED)構造から形成され、従って二色LED構造を提供する。従来技術において、単一LED構造が典型的に、LED構造の最上部又は最下部での主発光表面領域を貫通する発光を最適化すべく配置されている。異なる波長の光の色が必要な場合、これらの既知の構造は異なる色のLEDが互いに隣接するように典型的に配置されていて、異なる色の波長の光の別々の発光表面を形成する(LED構造のアレイでは、このような発光表面に別々の画素を形成することができる)。対照的に、利点として、ここに記述する二色LED構造は、共通
の主発光表面領域を形成して異なる色の別々の画素の必要性を減らし、従って解像度が増大して画素ピッチが減少することにより、LEDのアレイ内での色の均一性を向上させることが可能になる。更に、二色LEDから発せられた各色の明度の和が組み合わされるため、二色LEDでは明度が増大する。更に、二重LED構造で光ルミネセンスを減らすことにより色発光性能が向上する。利点として、本明細書に記載する方法は、個々のマイクロLED又はモノリシックマイクロLEDアレイの両方での物質移動処理に適したRGB画素を実現可能なマイクロLED素子に適用可能である。
の主発光表面領域を形成して異なる色の別々の画素の必要性を減らし、従って解像度が増大して画素ピッチが減少することにより、LEDのアレイ内での色の均一性を向上させることが可能になる。更に、二色LEDから発せられた各色の明度の和が組み合わされるため、二色LEDでは明度が増大する。更に、二重LED構造で光ルミネセンスを減らすことにより色発光性能が向上する。利点として、本明細書に記載する方法は、個々のマイクロLED又はモノリシックマイクロLEDアレイの両方での物質移動処理に適したRGB画素を実現可能なマイクロLED素子に適用可能である。
図1Aに、青色発光LEDである100Aが構築する発光構造を示す。エピタキシャル化合物半導体結晶性層の積層を示す。エピタキシャル化合物半導体結晶性層は、基板102上における層の連続的な成長により提供される。利点として、このように形成されたエピタキシャル化合物半導体結晶性層を高い精度で制御して、n型及びp型領域から発光領域に担体が注入されたならば高品質の材料及び効率的な発光を行うことができる。
図1Aに、上部に部分反射層104が成長した基板102を示す。基板102は成長シリコン基板である。部分反射層104は、分散ブラッグ反射器(DBR)である。一例においてDBRはZhang et al.,ACS Photonics,2,980(2015)に記述されている方法を用いてn型半導体層の上に形成される。部分反射層104は、400nm~500nmの全ての波長を反射すべく形成される。より長い波長の光、例えば波長が520nmの緑色光は部分反射層を透過する。
部分反射層104は、屈折率が異なる結晶性エピタキシャル層を交互に積層して形成される。層の屈折率及び厚さは、反射応答を部分反射層104への入射光の波長の関数として生成すべく選択される。更に、部分反射層104を形成する結晶性エピタキシャル層の多孔度はこれらの屈折率に紐付けられるため、所望の反射応答を波長の関数として提供すべく、結晶性エピタキシャル層の多孔度を制御する。
一例において、屈折率が高い層と低い層を交互に積層して部分反射層104を形成することにより、屈折率が高い(nH)層と低い(nL)層の各々の厚さが、当該層の厚さと屈折率の積がλ0/4となるように選択されるため、λ0は次式に従いλ0の近傍+/-λeの間の高い反射応答の中心波長である。
図6Aに、このような部分反射層を形成する屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aの例の断面図、及び付随する反射応答1600Bを波長の関数として示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aは、厚さが構造1600A内の他の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である低屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図6Bに見られる法線入射角での反射応答を生成するエルパンDBRを提供する。
図7Aに、屈折率が高い層と低い層が交互に積層されて部分反射層を形成する代替的な構造1700A、及び付随する反射応答1700Bを示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層された層1700Aは、厚さが構造1600A内の他の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である高屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図7Bに見られる法線入射角での反射応答を有するエルパンDBRを提供する。
所望の効果が得られるように配置された特定の構造を異なる仕方で実装できるが、一例において、部分反射層104は図8Aに関して記述するように構造1800Aを有している。部分反射層104は、屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層を含んでいる。当該構造は波長がλ0=430nmの光のために形成されるが、第1層の厚さは21.3nm(λ0/4ではなくλ0/8)であり、非多孔性ガリウム窒化物から形成されて、次層は多孔度が70%で厚さが66nmの多孔性ガリウム窒化物層である。次層は、非多孔性で厚さが42.6nmのガリウム窒化物層である。次層は、多孔度が70%で厚さが66nmの別のガリウム窒化物層である。次層は、非多孔性で厚さが42.6nmの別のガリウム窒化物層である。厚さが66nmで多孔度が70%の交互に積層されたガリウム窒化物と、非多孔性で厚さが42.6nmのガリウム窒化物の更に3対のペアが形成される。多孔度70%で厚さが33nmのガリウム窒化物の最終層で構造(λ0/4ではなくλ0/8)が終端する。図8Aに関して記述する構造では、反射率が図8Bの法線入射角度1800Bでの反射応答に示す波長の関数として得られる。
部分反射層104は上述のように形成されるが、部分反射層104の構造及び/又は層は代替的又は追加的に、求められる反射応答を生成する異なる多孔度と厚さを有する異なる層及び材料から形成されている。例えば、ある材料の屈折率を変えるために多孔性を変更できることが知られている(例:M.M.Braun,L.Pilon,“Effective optical properties of non-absorbing
nanoporous thin films”,This Solid Films
496(2006)505-514参照)。例えば、多孔性ガリウム窒化物の屈折率は、次式に従い百分率で示す多孔度の関数として変化し得る。
ここにpは百分率で示す多孔度、nは屈折率である。一例において、波長が450nmの場合、多孔性ガリウム窒化物の屈折率は、多孔度0%で2.44、多孔度10%で2.34、多孔度20%で2.23、多孔度30%で2.12、多孔度40%で2.00、多孔度50%で1.87、多孔度60%で1.73、多孔度70%で1.58、多孔度80%で1.41、及び多孔度90%で1.22である。従って、利点として、高品質の材料の発光構造を形成するための結晶構造を維持しながら、本明細書で述べる反射プロファイルを提供するのに必要な特性を有するDBRは、多孔度が異なるGaNの層を交互に積層させた層を用いて形成可能である。代替的又は追加的に、この概念は異なる材料に適用可能である。
nanoporous thin films”,This Solid Films
496(2006)505-514参照)。例えば、多孔性ガリウム窒化物の屈折率は、次式に従い百分率で示す多孔度の関数として変化し得る。
ここにpは百分率で示す多孔度、nは屈折率である。一例において、波長が450nmの場合、多孔性ガリウム窒化物の屈折率は、多孔度0%で2.44、多孔度10%で2.34、多孔度20%で2.23、多孔度30%で2.12、多孔度40%で2.00、多孔度50%で1.87、多孔度60%で1.73、多孔度70%で1.58、多孔度80%で1.41、及び多孔度90%で1.22である。従って、利点として、高品質の材料の発光構造を形成するための結晶構造を維持しながら、本明細書で述べる反射プロファイルを提供するのに必要な特性を有するDBRは、多孔度が異なるGaNの層を交互に積層させた層を用いて形成可能である。代替的又は追加的に、この概念は異なる材料に適用可能である。
利点として、部分反射層104は発光構造100Aを形成する連続的な処理の一部として形成されるため、より高品質の材料が得られ、処理負荷が軽減される。
部分反射層104はDBRであるが、更なる複数の例において部分反射層104は、一部の波長の光の反射及び異なる波長の光の透過を実現する機能を維持しながら、追加的又は代替的に異なる方法を用いて形成される。
部分反射層104の最上部にn型領域106がある。n型領域はnドープガリウム窒化物(n-GaN)である。n型領域106の最上部に発光領域108がある。発光領域108は青色発光領域108である。青色発光領域108の最上部でp型領域110が成長する。p型領域はpドープガリウム窒化物(p-GaN)である。発光構造100Aは典型的な青色LED構造に基づいている。更なる複数の例において、代替的な青色発光構造
が追加的又は代替的な層と共に用いられる。
が追加的又は代替的な層と共に用いられる。
n型領域106はnドープGaNであるが、更なる複数の例においてn型領域106は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。p型領域110はpドープGaNであるが、更なる複数の例においてp型領域110は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。
シリコン成長基板102上でのエピタキシャルGaNを主成分とする材料の成長を示しているが、更なる複数の例において、シリコン基板102と、その後に成長した層、例えば部分反射層104、n型領域106、発光領域108及びp型領域110等との間における格子不整合を補正すべく、追加的又は代替的な介在層が用いられる。一例において、成長基板102は窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を有するシリコンを含んでいる。
図1Aの発光構造100Aが形成されたならば、発光構造100Aは結合層112を用いてシリコンハンドリングウェハ114であるハンドリング素子に結合される。これを図1Bに示す。ハンドリングウェハ114はシリコンハンドリングウェハ114である。ハンドリングウェハ114は、光学的透明接着剤(OCA)の結合層112を用いて、図1Aの発光構造100Aのp型領域に結合されている。
OCAである結合層112は利点として優れた透明性及び絶縁特性を有している。図1Bの例では結合層112はOCAであるが、更なる複数の例において結合層112は追加的又は代替的に、接着的及び機械的手段を含む異なる手段を用いて形成される。
ハンドリングウェハ114が結合層112を用いて発光構造100Aに結合されたならば、発光構造100A、100Bの基板102が除去される。これを図1Cに示しており、同図では図1A、1Bに示す発光構造100A、100Bの処理済みバージョンである発光構造100Cが存在する。図1Bの発光構造100Bが処理されて、基板102の除去により図1Cの発光構造100Cが形成される。成長シリコンウェハである基板102の除去は湿式エッチングを用いて実行される。一例において、湿式エッチングは、KOH溶液、フッ化水素酸、硝酸及びBOEを用いる。更なる複数の例において、追加的又は代替的な方法を用いて基板102を除去する。追加的又は代替的に、乾式エッチング技術を用いて、発光構造の基板102と残余部分の間に形成された緩衝層等の追加的な層を除去する。
青色発光LED構造100Aの形成に加え、図1Dに示すように、緑色発光構造200が形成される。図1Dに、上部にn型領域206を有する部分反射層204を上部に有する基板202を有する典型的な緑色発光LED構造200を示す。n型領域206の上に緑色発光領域208を示す。発光領域208の最上部でp型領域210を示す。図1Dの緑色発光構造200は、図1Aの青色発光構造100Aと同様の仕方で形成される。
図1Dに、部分反射層204が成長した基板202を示す。基板202は成長シリコン基板である。部分反射層204は分散ブラッグ反射器(DBR)である。一例においてDBRはZhang et al.,ACS Photonics,2,980(2015)に記述されている方法を用いてn型半導体層の上に形成される。部分反射層204は、400nm~600nmの全ての波長を反射するように形成される。より長い波長の光、例えば波長が605nmの光は部分反射層を透過する。
部分反射層204は、屈折率が異なる結晶性エピタキシャル層を交互に積層して形成される。これらの層の屈折率及び厚さは、反射応答を部分反射層204における入射光の波長の関数として生成すべく選択される。更に、所望の反射応答を波長の関数として提供す
べく、部分反射層204を形成する結晶性エピタキシャル層の多孔度を制御する。
べく、部分反射層204を形成する結晶性エピタキシャル層の多孔度を制御する。
一例において、屈折率が高い層と低い層を交互に積層して部分反射層204を形成することにより、屈折率が高い(nH)層と低い(nL)層の各々の厚さが、当該層の厚さと屈折率の積がλ0/4となるように選択されるため、λ0は次式に従いλ0の近傍+/-λeの間の高い反射応答の中心波長である。
上述のように、上式に基づく例示的な構造及び応答を図6A、6B、7A及び7Bに示す。
所望の効果が得られるよう配置された特定の構造を異なる仕方で実現できるが、一例において、部分反射層204は図9Aに関して記述するように構造1900Aを有している。部分反射層304は、屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層を含んでいる。波長がλ0=500nmの光に対して構造が形成されている場合、第1層は、厚さが44.3nm(λ0/4ではなくλ0/8)で多孔度が80%の多孔性ガリウム窒化物である。次層は厚さが53nmの非多孔性ガリウム窒化物から形成される。次層は多孔度が80%で厚さが88.7nmの多孔性ガリウム窒化物層である。次層は、非多孔性で厚さが53nmのガリウム窒化物層である。次層は、多孔度が80%で厚さが88.7nmの別のガリウム窒化物層である。次層は、非多孔性で厚さが53nmの別のガリウム窒化物層である。厚さが88.7nmで多孔度が80%の交互に積層されたガリウム窒化物と、非多孔性で厚さが53nmのガリウム窒化物との更なる3個のペアが形成される。厚さが44.3nmで多孔度が80%のガリウム窒化物の最終層で構造が終端する(λ0/4ではなくλ0/8)。図9Aに関して記述する構造では、反射率が図9Bの法線入射角度1900Bでの反射応答に示す波長の関数として得られる。
部分反射層204は上述のように形成されるが、部分反射層204の構造及び/又は層は代替的又は追加的に、求められる反射応答を生成する異なる多孔度と厚さを有する異なる層及び材料から形成されている。
利点として、部分反射層204は発光構造200を形成する連続的な処理の一部として形成されるため、より高品質の材料が得られ、処理負荷が軽減される。
部分反射層204はDBRであるが、更なる複数の例において部分反射層204は、一部の波長の光の反射及び異なる波長の光の透過を実現する機能を維持しながら、追加的又は代替的に異なる方法を用いて形成される。
部分反射層204の最上部にn型領域206がある。n型領域はnドープガリウム窒化物(n-GaN)である。n型領域206の最上部に発光領域208がある。発光領域208は緑色発光領域208である。緑色発光領域208の最上部でp型領域210が成長する。p型領域はpドープガリウム窒化物(p-GaN)である。発光構造200は典型的な緑色LED構造に基づいている。更なる複数の例において、代替的な緑色LED構造が追加的又は代替的な層と共に用いられる。
n型領域206はnドープGaNであるが、更なる複数の例においてn型領域206は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。p型領域210はpドープGaNであるが
、更なる複数の例においてp型領域210は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。
、更なる複数の例においてp型領域210は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。
シリコン成長基板202上でのエピタキシャルGaNを主成分とする材料の成長を示しているが、更なる複数の例において、シリコン基板202と、その後に成長した層、例えば部分反射層204、n型領域206、発光領域208及びp型領域210等との間における格子不整合を補正すべく、追加的又は代替的な介在層が用いられる。一例において、成長基板102は窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を有するシリコンを含んでいる。
図1A、1B、1Cに各々示す発光構造100A、100B、100Cと、図1Dに示す発光構造200は従来のLED構造とは、構造100A、100B、100C、200の基板とn型領域の間に少なくとも部分的に配置された部分反射層104、204を少なくとも有する点で異なる。利点として、部分反射層をこれらの構造の形成に組み込む結果、当該構造が互いに結合された際に部分反射層が異なる発光領域の間に配置される一方、異なる構造の独立した形成、従って最適化(例:青色LED構造の最適化された成長、及び緑色LED構造の最適化された成長)が可能になる。
青色発光構造100Cと緑色発光構造200が形成されたならば互いに結合されるが、構造100Cと200を互いに結合する前に、透明導電層302が青色発光構造100Cに堆積される。透明導電層302はインジウム酸化スズ(ITO)層である。これを図1Eで示す。利点として、結合の前に当該層を形成することで、当該層とその物理的特性を結合された構造に洗練された効率的な仕方で組み込むことが可能になる。
透明導電層302はITO層であるが、更なる複数の例において、透明導電層302を形成すべく追加的又は代替的な材料が用いられる。
図1Eに二色LED構造300Aを示しており、これにより青色発光構造100Cを提供すべく処理された発光構造1Aが緑色発光構造200に結合されるため、処理発光構造100Cの部分反射層104が発光構造200のp型領域210に堆積された透明導電層302に結合される(従って、後段で担体のp型領域210への注入性能を向上させることができる)。青色発光構造100Cは、OCA接着剤である結合層304を用いて緑色発光構造200に結合されている。
結合層304はOCAから形成される。更なる複数の例において、追加的又は代替的な材料を用いて結合層304を形成する。
図1Eの二色LED構造200が形成されたならば、図1Fに示す構造300Aを形成すべく処理される。
図1Fに、図1Eの二色LED構造300Aの処理済み二色発光構造300Bを示しており、これによりハンドリングウェハ114及び結合層112が除去される。図1Fに示すようにハンドリングウェハ114及び結合層112が除去されたならば、透明導電層306が二色発光構造300Bのp型領域110の上に形成され(従って、後段での担体のp型領域110への注入が向上する)。利点として、ハンドリングウェハ114の除去に続いて、成長基板202は残り、悪影響無しに構造300Bの移動に用いることができる。
図1Gに、p型領域110の最上部に透明導電層306を形成すべく処理された図1Fの二色発光構造300Bを示す。透明導電層306はp型領域110に堆積されたITOである。更なる複数の例において、透明導電層306は追加的又は代替的な材料から形成
されている。
されている。
図1Gの二色LED構造300Cは次いで、ハンドリングウェハ310が、結合層308を用いて二色発光構造300Cの透明導電層306に結合されるように図1Hに示す構造300Dを形成すべく処理される。ハンドリング素子310は、OCAから形成された結合層308を用いて透明導電層306に結合されるシリコンウェハ310である。更なる複数の例において、追加的又は代替的な材料が結合層308で用いられる。また更なる複数の例において、追加的又は代替的な材料がハンドリングウェハ310で用いられる。
利点として、図1Hの二色LED構造300Dが形成されたならば、成長基板202が除去される。成長シリコンウェハである基板202の除去は、湿式エッチングを用いて実行される。一例において、湿式エッチングは、KOH溶液、フッ化水素酸、硝酸及びBOEを用いる。更なる複数の例において、追加的又は代替的な方法を用いて基板202を除去する。追加的又は代替的に、乾式エッチング技術を用いて、発光構造の基板202と残余部分の間に形成された緩衝層等の追加的な層を除去する。
基板202が除去されたならば、構造内に電気接点が形成される。電気接点の形成により、各々の発光領域108、208への担体の注入が可能になる。これは、青色発光領域108のn型領域106及びp型領域110との電気接点対を形成することにより、及び緑色発光領域208のn型領域206及びp型領域210との電気接点対を形成することにより実現される。
これを図1Iに示しており、同図では二色発光構造300Eは構造300Eを貫通して選択的に形成されたビア孔312、314、316、318を有するように示している。ビア孔312、314、316、318は、二色発光構造300Eを選択的に貫通してエッチングすることにより形成される。これは、二色発光構造300Eに堆積されたレジスト層のパターニングに基づくフォトリソグラフィ技術を用いて実現される。更なる複数の例において、代替的又は追加的な技術を用いてビア孔312、314、316、318を形成する。
ビア孔312、314、316、318は、発光構造300Eを貫通して発光領域108、208への担体注入を可能にすべく電気接点を形成するように形成される。
ビア孔312は、部分反射層204、n型領域206、発光領域208、p型領域210、透明導電層302、結合層304及び部分反射層104を貫通してn型領域106との電気接点の形成を可能にすべく形成される。従って、ビア孔312はn型領域106への通路を提供する。
同様に、部分反射層204である部分反射領域を貫通してn型領域206に至るビア孔314を示す。n型領域に至るビア孔312、314は、各々の発光領域108、208に関連付けられたn型領域との接点を形成する通路を提供する。
ビア孔316は、透明導電層302との電気的接続の形成を可能にすべく、部分反射層204、n型領域206、発光領域208及びp型領域210を貫通して透明導電層302内へ進入すべく形成された状態で示されている。透明導電層302はp型領域210と電気的に接触しており、従ってp型領域の導電性が比較的低いことから、発光領域208の幅にわたり担体を分散させることが可能になる。更なる複数の例において、透明導電層302は当該機能の実行を求められておらず、代わりにビア孔316がp型領域210との電気的接続を直接提供すべく形成される。
ビア孔318は、透明導電層306との電気的接続の形成を可能にすべく、部分反射層204、n型領域206、発光領域208、p型領域210、透明導電層302、結合層304、部分反射層104、n型領域106、発光領域108及びp型領域110を貫通すべく形成された状態で示されている。透明導電層306はp型領域110と電気的に接触しており、従ってp型領域の導電性が比較的低いことから、発光領域108の幅にわたり担体を分散させることが可能になる。更なる複数の例において、透明導電層306は当該機能の実行を求められておらず、代わりにビア孔318がp型領域110との電気的接続を直接提供すべく形成される。
従って、ビア孔316、318は、発光領域108~208の各々に関連付けられたp型領域との電気的接続の形成を可能にする経路を提供する。
これにより、一対のビア孔の314、316が緑色発光領域208に電極対を形成する手段を提供する。他方のビア孔対312、318は青色発光領域108に電極対を形成する手段を提供する。青色発光領域108及び緑色発光領域208の各々との接点を形成すべく、ビア孔312、314、316、318の内壁上に絶縁体層が形成されてよい。透明導電層302はp型領域210と電気的に接触しており、従って、p型領域の導電性が比較的低いことから、発光領域208の幅全体にわたる担体を分散させることが可能になる。更なる複数の例において、透明導電層302は当該機能を実行することが求められておらず、代わりにビア孔316がp型領域210との電気的接続を直接提供すべく形成される。
所望の領域との電気的接続が確立できるようにビア孔312、314、316、318が絶縁されたならば、導電材料が各々のビア孔312、314、316、318に形成される。導電材料は、絶縁されたビア孔312、314、316、318にメッキされた金属である。更なる複数の例において、導電材料は追加的又は代替的な材料であり、更なる複数の例において、他の技術を用いて導電材料を堆積することにより、ビア孔312、314、316、318が接触する領域との電気接点を形成する。
発光領域108、208に担体を注入すべく制御された電気的接続を可能にすべく、図1Iの二色発光構造300Eは更に処理される。
図1Jに、図1IのLED構造300Eの処理済みバージョンを示す。図1Jでは、ビア孔312、314、316、318内に形成された電極との接続を行うべく追加的な貫通シリコンビア孔が結合及び整列されている二色LED構造300Fを示す。
貫通シリコンビア孔320は、結合層322を介して構造300Fの部分反射層204に結合されている。発光構造との電気接点が形成されたならば、ハンドリングウェハ310及び結合層308を構造300Fから除去することができる。
ハンドリングウェハ310及び結合層308の除去により図1Kに示すような二色LED構造300Gが形成される。図1Kの発光構造は導電透明層306を透過する光を発すべく構成されている。
利点として、部分反射層204は実質的に緑色光を反射すべく構成されている。更に、部分反射層104は、実質的に青色光を反射することにより青色光が青色発光領域108から緑色発光領域208へ通過するのを防止しながら、緑色光が実質的に自身を通過して透明導電層306を介して発光可能にすべく構成されている。利点として、当該構成以外ならば緑色発光領域208内で発光を励起したであろう青色光がこれを行うことを防止する。利点として、透明導電層306を介して当該構造の最上部を貫通する発光性能が向上
する。
する。
部分反射層204、104の、光の波長の関数としての反射特性を図1Lに示す。部分反射層104の反射応答は、青色光を反射するが緑色光は通過させるものであり、450nm~520nmの範囲の光の波長における反射率のステップ変化による、当該反射応答を400Aで示している。
部分反射層204の、光の波長の関数としての反射応答400Bを図1Lに示す。従って、青及び緑色波長が反射されるものとして示す。反射率のステップ変化は520nm以降まで実質的に生じない。
部分反射層104、204は二色発光構造300Hの最上部を通して抽出される光を最適化すべく青及び緑色の主ピーク波長の反射及び透過を可能にすべく構成されているが、更なる複数の例において、光の異なる波長の光生成を最適化すべく代替的又は追加的な発光領域108、208、及び部分反射層104、204を用いる。
図1Aの発光構造100A及び図1Dの発光構造200は、有機金属化学蒸着(MOCVD)及び分子線エピタキシー(MBE)等のエピタキシャル化合物半導体成長技術を用いて形成される。追加的又は代替的に、発光構造100A、200は任意の適当な技術を用いて形成される。発光構造100A、200がLED構造であるのに対し、更なる複数の例において、追加的又は代替的に、発光構造100A、200は、第1の発光領域からの発光が発光構造全体を通過するのを防止すべく部分反射層を使用することに利点を有する異なる発光構造である。
上述のエピタキシャル結晶性化合物半導体層の成長は、成長基板102、202として用いられるシリコンウェハ上の成長/堆積を用いて行われる。代替的又は追加的に、例えばサファイアウェハ又は自立ガリウム窒化物(GaN)ウェハ等、他のウェハを用いる。
特定のエピタキシャル結晶性化合物半導体層を図1A~1Lに示しているが、当業者には更なる複数の例において代替的、又は追加的な層が用いられることが理解されよう。更に、いくつかの例において、本明細書に記述する概念の本質を維持しながら、エピタキシャル結晶性化合物半導体層の一部が除去されている。
図1A~1Lに関して記述する発光構造は窒化物を主成分とする材料から形成されている。特に、エピタキシャル結晶性化合物半導体層はガリウム窒化物(GaN)を主成分とする材料である。図1A~1Lに関して記述する構造は窒化物を主成分とする半導体化合物材料に関係しているが、当業者には、本明細書に記述する概念が他の材料、特に他の半導体材料、例えば他のIII~V族化合物半導体材料、又はII~VI族化合物半導体材料に適用できることが理解されよう。
発光領域108、208は複数の量子井戸(MQW)を含むように形成される。青色発光領域108は、担体がMQW内で放射的に結合した際に、青色の主ピーク波長を有する光を発すべく構成されたMQWを含んでいる。MQWはGaNを主成分とする複数層間でエピタキシャル的に成長した窒化インジウムガリウム(InGaN)から形成され、個々の量子井戸の組成は自身から発光可能な所望の波長の光を生成すべく調整される。発光領域108内に複数のMQWが記述されているが、代替的に単一の量子井戸(SQW)層が用いられる。更なる複数の例において、発光領域108は量子ドット(QD)を含み、当該QDは自身の内部で担体が放射的に結合した際に光を発すべく構成されている。図1Aに関して記述する発光領域108から発せられた光の主ピーク波長は青色に設定されているが、更なる複数の例において、発光領域108は追加的又は代替的に異なる主ピーク波
長の光を発すべく構成されている。
長の光を発すべく構成されている。
緑色発光領域208は、担体がMQW内で放射的に結合した際に緑色の主ピーク波長を有する光を発すべく構成されたMQWを含んでいる。MQWはGaNを主成分とする複数層間でエピタキシャル的に成長した窒化インジウムガリウム(InGaN)から形成され、個々の量子井戸の組成は自身から発光可能な所望の波長の光を生成すべく調整される。発光領域208内に複数のMQWが記述されているが、代替的に単一の量子井戸(SQW)層が用いられる。更なる複数の例において、発光領域208は量子ドット(QD)を含み、当該QDは自身の内部で担体が放射的に結合した際に光を発すべく構成されている。図1Dに関して記述する発光領域208から発せられた光の主ピーク波長は緑色に設定されているが、更なる複数の例において、発光領域108は追加的又は代替的に異なる主ピーク波長の光を発すべく構成されている。
更に、当業者には、上述の仕方で二重発光LED構造を形成する結果、個々の発光構造を形成する処理、又はこれら個々の発光構造を合わせて得られた構造の処理に関わる処理ステップのいずれかで複数の層を当該構造に組み込むことにより、処理ステップを減らして効率的且つ高品質な材料が生成されることが理解されよう。しかし、当業者には、更なる複数の例において、追加的又は代替的なステップを用いて構造を形成し、ステップの順序は異なる又は追加的な利点を得るために選択されることが更に理解されよう。
図1A~1Lを用いて二重発光LED構造を説明する。しかし、当業者には、更なる複数の例において、更なる発光領域が光の二つ以上の主ピーク波長を発する構造を形成すべく組み込まれていることが理解されよう。上述のように、RGBLEDアレイは赤、緑及び青色LEDを用いて色アレイ/ディスプレイに発現される色発光を実行するため、RGBLED画素を効果的に形成する共通の発光表面領域を通過する赤、緑及び青色光を発する多色発光構造が有利である。利点として、多色発光構造は、一例において、多色発光構造のアレイ内に実装されるため、多色RGBディスプレイを形成する。このような実装は、RGB発光構造と制御電極アレイの協働により行うことができる。
図2A~2I及び図3に、3色エミッタへの光抽出性能を向上させるための部分反射層を含む重ね合わされた発光構造の適用を示す。特に、図2A~2I及び図3にRGBLED光発光構造を示す。
図2Aに、上部に部分反射層504が成長した基板502を示す。基板502は成長シリコン基板である。部分反射層504は分散ブラッグ反射器(DBR)である。一例においてDBRはZhang et al.,ACS Photonics2,980(2015)に記述されている方法を用いてn型半導体層の上に形成される。部分反射層504は、400nm~600nmの全ての波長を反射すべく形成される。より長い波長の光、例えば波長が605nmの光は部分反射層を透過する。
部分反射層504は、屈折率が異なる結晶性エピタキシャル層を交互に積層して形成される。層の屈折率及び厚さは、反射応答を部分反射層504への入射光の波長の関数として生成すべく選択される。更に、所望の反射応答を波長の関数として提供すべく、部分反射層504を形成する結晶性エピタキシャル層の多孔度を制御する。
一例において、屈折率が高い層と低い層を交互に積層して部分反射層504を形成することにより、屈折率が高い(nH)層と低い(nL)層の各々の厚さが、当該層の厚さと屈折率の積がλ0/4となるように選択されるため、λ0は次式に従いλ0の近傍+/-λeの間の高い反射応答の中心波長である。
図6Aに、このような部分反射層を形成する屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aの断面図、及び付随する反射応答1600Bを波長の関数として示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aは、厚さが構造1600A内の他の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である低屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図6Bに見られる法線入射角での反射応答を生成するエルパンDBRを提供する。
図7Aに、屈折率が高い層と低い層が交互に積層されて部分反射層を形成する代替的な構造1700A、及び付随する反射応答1700Bを示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層された層1700Aは、厚さが構造1600A内の他の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である高屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図7Bに見られる法線入射角での反射応答を有するエルパンDBRを提供する。
部分反射層504は二色発光構造に関する上述の原理に基づいて形成される。部分反射層504は上述のように形成されるが、部分反射層504の構造及び/又は層は代替的又は追加的に、求められる反射応答を生成する異なる多孔度と厚さを有する異なる層及び材料から形成されている。
利点として、部分反射層504は発光構造500Aを形成する連続的な処理の一部として形成されるため、より高品質の材料が得られ、処理負荷が軽減される。
部分反射層504はDBRであるが、更なる複数の例において部分反射層504は、一部の波長の光の反射及び異なる波長の光の透過を実現する機能は維持しながら、追加的又は代替的に異なる方法を用いて形成される。
部分反射層504の最上部にn型領域506がある。n型領域はnドープガリウム窒化物(n-GaN)である。n型領域506の最上部に発光領域508がある。発光領域508は緑色発光領域508である。緑色発光領域508の最上部でp型領域510が成長する。p型領域はpドープガリウム窒化物(p-GaN)である。発光構造500Aは典型的に緑色LED構造に基づいている。更なる複数の例において、代替的な緑色LED構造が追加的又は代替的な層と共に用いられる。
n型領域506はnドープGaNであるが、更なる複数の例においてn型領域506は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。p型領域510はpドープGaNであるが、更なる複数の例においてp型領域510は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。
シリコン成長基板502上でのエピタキシャルGaNを主成分とする材料の成長を示しているが、更なる複数の例において、シリコン成長基板502と、その後に成長した層、例えば部分反射層504、n型領域506、発光領域508及びp型領域510等との間における格子不整合を補正すべく、追加的又は代替的な介在層が用いられる。一例において、成長基板502は窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を有するシリコンを含んでいる。
緑色発光構造500Aが形成されたならば、透明導電層512が緑色発光構造500Aに堆積される。透明導電層512はインジウム酸化スズ(ITO)層である。これを図2Aで示す。
透明導電層512はITO層であるが、更なる複数の例において、透明導電層512を形成すべく追加的又は代替的な材料が用いられる。
図2Aの発光構造500Aが形成されたならば、発光構造500Aは結合層514を用いてハンドリング素子516に結合される。これを図2Bの発光構造500Bに示す。ハンドリング素子516はシリコンハンドリングウェハ516である。シリコンハンドリングウェハ516は、光学的透明接着剤(OCA)の結合層514を用いて、図2Aの発光構造500Aの透明導電層512に結合されている。
OCAである結合層514は利点として優れた透明性及び絶縁特性を有している。図2Bの例では結合層514はOCAであるが、更なる複数の例において結合層112は追加的又は代替的に、接着剤及び機械的手段を含む異なる手段を用いて形成される。
ハンドリングウェハ516が結合層514を用いて発光構造500Aに結合されたならば、発光構造500Aの基板502が除去される。これを図2Bに示しており、同図では図2Aに示す発光構造500Aの処理済みバージョンである発光構造500Bが存在する。図2Aの発光構造500Aが処理されて、基板502の除去により図2Bの発光構造500Bが形成される。成長シリコンウェハである基板502の除去は湿式エッチングを用いて実行される。一例において、湿式エッチングは、KOH溶液、フッ化水素酸、硝酸及びBOEを用いる。更なる複数の例において、追加的又は代替的な方法を用いて基板502を除去する。追加的又は代替的に、乾式エッチング技術を用いて、発光構造の基板502と残余部分の間に形成された緩衝層等の追加的な層を除去する。
緑光発光LED構造500Bの形成に加え、図2Cに示すように、赤色発光構造600が形成される。図2Cに、追加的な部分反射層を有する典型的な赤色発光LED構造600を示す。上部にn型領域606を有する部分反射層604を上部に有する基板602を示す。n型領域606の上に赤色発光領域608を示す。発光領域608の最上部にp型領域610を示す。図2Cの構造600を赤色発光は、図2Aの緑色発光構造500Aと同様の仕方で形成される。
図2Cに、部分反射層604が成長した基板602を示す。基板602は成長シリコン基板である。部分反射層604は分散ブラッグ反射器(DBR)である。一例においてDBRはZhang et al.,ACS Photonics,2,980(2015)に記述されている方法を用いてn型半導体層の上に形成される。部分反射層604は、400nm~780nmの全ての波長を反射するように形成される。
部分反射層604は、屈折率が異なる結晶性エピタキシャル層を交互に積層して形成される。これらの層の屈折率及び厚さは、反射応答を部分反射層604における入射光の波長の関数として生成すべく選択される。更に、所望の反射応答を波長の関数として生成すべく、部分反射層604を形成する結晶性エピタキシャル層の多孔度を制御する。
一例において、屈折率が高い層と低い層を交互に積層して部分反射層604を形成することにより、屈折率が高い(nH)層と低い(nL)層の各々の厚さが、当該層の厚さと屈折率の積がλ0/4となるように選択されるため、λ0は次式に従いλ0の近傍+/-λeの間の高い反射応答の中心波長である。
図6Aに、このような部分反射層を形成する屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aの断面図、及び付随する反射応答1600Bを波長の関数として示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aは、厚さが構造1600A内の他の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である低屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図6Bに見られる法線入射角での反射応答を生成するエルパンDBRを提供する。
図7Aに、屈折率が高い層と低い層が交互に積層されて部分反射層を形成する代替的な構造1700A、及び付随する反射応答1700Bを示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層された層1700Aは、厚さが構造1600A内の他の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である高屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図7Bに見られる法線入射角での反射応答を有するエルパンDBRを提供する。
部分反射層604は二色発光構造に関する上述の原理に基づいて形成される。部分反射層604は上述のように形成されるが、部分反射層604の構造及び/又は層は代替的又は追加的に、求められる反射応答を生成する異なる多孔性及び厚さを有する異なる層及び材料から形成されている。
利点として、部分反射層604は発光構造600を形成する連続的な処理の一部として形成されるため、より高品質の材料が得られ、処理負荷が軽減される。
部分反射層604はDBRであるが、更なる複数の例において部分反射層604は、一部の波長の光の反射及び異なる波長の光の透過を実現する機能を維持しながら、追加的又は代替的に異なる方法を用いて形成される。
部分反射層604の最上部にn型領域606がある。n型領域はnドープガリウム窒化物(n-GaN)である。n型領域606の最上部に発光領域608がある。発光領域608は赤色発光領域608である。緑色発光領域608の最上部でp型領域610が成長する。p型領域はpドープガリウム窒化物(p-GaN)である。発光構造600は典型的に赤色LED構造に基づいている。更なる複数の例において、代替的な赤色LED構造が追加的又は代替的な層と共に用いられる。
n型領域606はnドープGaNであるが、更なる複数の例においてn型領域606は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。p型領域610はpドープGaNであるが、更なる複数の例においてp型領域610は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。
シリコン基板602上でのエピタキシャルGaNを主成分とする材料の成長を示しているが、更なる複数の例において、シリコン成長基板602と、その後に成長した層、例えば部分反射層604、n型領域606、発光領域608及びp型領域610等との間における格子不整合を補正すべく、追加的又は代替的な介在層が用いられる。一例において、成長基板602は窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を有するシリコンを含んでいる。
緑色発光構造500B及び赤色発光構造600が形成されたならば、互いに結合される
。図2Dに、有効な二色LED構造700Aを示しており、これにより緑色発光構造500Bが赤色発光構造600に結合されて、処理済み発光構造500Bの部分反射層504が発光構造600のp型領域610に堆積された透明導電層612に結合される。緑色発光構造500Bは、OCA接着剤である結合層702を用いて赤色発光構造600に結合される。
。図2Dに、有効な二色LED構造700Aを示しており、これにより緑色発光構造500Bが赤色発光構造600に結合されて、処理済み発光構造500Bの部分反射層504が発光構造600のp型領域610に堆積された透明導電層612に結合される。緑色発光構造500Bは、OCA接着剤である結合層702を用いて赤色発光構造600に結合される。
結合層702はOCAから形成される。更なる複数の例において、追加的又は代替的な材料を用いて結合層702を形成する。
図2Dの有効な二色LED構造700Aが形成されたならば、図2Eで示す構造700Bを形成すべく処理される。
図2Eに、図2Dの二色LED構造700Aの処理済み二色発光構造700Aを示しており、これによりハンドリングウェハ516及び結合層514が除去される。
有効な二色LED構造700Bの形成に加え、青色発光構造800が形成される。図2Fに、追加的な部分反射層を有する典型的な青色発光LED構造800を示す。上部にn型領域806を有する部分反射層804を上部に有する基板802を示す。n型領域806の上に青色発光領域808を示す。発光領域808の最上部にp型領域810を示す。図2Fの青色発光構造800は、図2A、2Cの赤及び緑色発光構造500A、600と同様の仕方で形成される。
図2Fに、青色発光LED構造である発光構造800を示す。エピタキシャル化合物半導体結晶性層の積層を示す。エピタキシャル化合物半導体結晶性層は、基板802上における層の連続的な成長により形成される。
図2Fに、上部に部分反射層804が成長した基板802を示す。基板802は成長シリコン基板である。部分反射層804は分散ブラッグ反射器(DBR)である。一例においてDBRはZhang et al.,ACS Photonics2,980(2015)に記述されている方法を用いてn型半導体層の上に形成される。部分反射層804は、400nm~500nmの全ての波長を反射すべく形成される。
部分反射層804は、屈折率が異なる結晶性エピタキシャル層を交互に積層して形成される。層の屈折率及び厚さは、反射応答を部分反射層804への入射光の波長の関数として生成すべく選択される。更に、所望の反射応答を波長の関数として生成すべく、部分反射層804を形成する結晶性エピタキシャル層の多孔度を制御する。
一例において、屈折率が高い層と低い層を交互に積層して部分反射層804を形成することにより、屈折率が高い(nH)層と低い(nL)層の各々の厚さが、当該層の厚さと屈折率の積がλ0/4となるように選択されるため、λ0は次式に従いλ0の近傍+/-λeの間の高い反射応答の中心波長である。
図6Aに、このような部分反射層を形成する屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aの例の断面図、及び付随する反射応答1600Bを波長の関数として示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層した層1600Aは、厚さが構造1600A内の他
の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である低屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図6Bに見られる法線入射角での反射応答を生成するエルパンDBRを提供する。
の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である低屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図6Bに見られる法線入射角での反射応答を生成するエルパンDBRを提供する。
図7Aに、屈折率が高い層と低い層が交互に積層されて部分反射層を形成する代替的な構造1700A、及び付随する反射応答1700Bを示す。屈折率が高い層と低い層を交互に積層された層1700Aは、厚さが構造1600A内の他の交互層の半分(λ0/4ではなくλ0/8)である高屈折率層を有する構造の最下部から出発して最上部で終端し、図7Bに見られる法線入射角での反射応答を有するエルパンDBRを提供する。
部分反射層804は二色発光構造に関する上述の原理に基づいて形成される。部分反射層604は上述のように形成されるが、部分反射層604の構造及び/又は層は代替的又は追加的に、求められる反射応答を生成する異なる多孔性及び厚さを有する異なる層及び材料から形成されている。
利点として、部分反射層804は発光構造800を形成する連続的な処理の一部として形成されるため、より高品質の材料が得られ、処理負荷が軽減される。
部分反射層804はDBRであるが、更なる複数の例において部分反射層804は、一部の波長の光の反射及び異なる波長の光の透過を実現する機能を維持しながら、追加的又は代替的に異なる方法を用いて形成される。
部分反射層804の最上部にn型領域806がある。n型領域はnドープガリウム窒化物(n-GaN)である。n型領域806の最上部に発光領域808がある。発光領域808は青色発光領域808である。青色発光領域808の最上部でp型領域810が成長する。p型領域はpドープガリウム窒化物(p-GaN)である。発光構造800は典型的な青色LED構造に基づいている。更なる複数の例において、代替的な青色LED構造が追加的又は代替的な層と共に用いられる。
n型領域806はnドープGaNであるが、更なる複数の例においてn型領域806は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。p型領域810はpドープGaNであるが、更なる複数の例においてp型領域810は追加的又は代替的に異なる材料を含んでいる。
シリコン基板802上でのエピタキシャルGaNを主成分とする材料の成長を示しているが、更なる複数の例において、シリコン成長基板802と、その後に成長した層、例えば部分反射層804、n型領域806、発光領域808及びp型領域810等との間における格子不整合を補正すべく、追加的又は代替的な介在層が用いられる。一例において、成長基板802は窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を有するシリコンを含んでいる。
図2Fの発光構造800が形成されたならば、発光構造800は結合層812を用いてハンドリングウェハ814に結合される。これを図2Fに示す。ハンドリング素子814はシリコンハンドリングウェハ814である。ハンドリング素子814は、光学透明接着剤(OCA)の結合層812を用いて、図2Fの発光構造800のp型領域に結合されている。
OCAである結合層812は利点として優れた透明性及び絶縁特性を有している。図2Fの例では結合層812はOCAであるが、更なる複数の例において結合層812は追加的又は代替的に、接着剤及び機械的手段を含む異なる手段を用いて形成される。
ハンドリングウェハ814が結合層812を用いて発光構造800に結合されたならば、発光構造800の基板802が除去される(図示せず)。成長シリコンウェハである基板802の除去は湿式エッチングを用いて実行される。一例において、湿式エッチングは、KOH溶液、フッ化水素酸、硝酸及びBOEを用いる。更なる複数の例において、追加的又は代替的な方法を用いて基板802を除去する。追加的又は代替的に、乾式エッチング技術を用いて、発光構造の基板802と残余部分の間に形成された緩衝層等の追加的な層を除去する。
図2B、2C及び2Fに示す発光構造500B、600、800は各々、構造500B、600、800の基板とn型領域の間に少なくとも部分的に配置された部分反射層504、604、804を有する限り、従来のLED構造とは異なる。
基板802が除去された青色発光構造800と、赤及び緑色の二色発光構造700Bが形成されたならば、それらは図2Gに示すように互いに結合されてRGB発光構造700Cを形成する。
図2Gに、RGB色LED構造700Cを示しており、これにより赤及び緑色の二色発光構造700Bを形成すべく処理された発光構造700Aが青色発光構造800に結合されて、青色発光構造800の部分反射層804が発光構造700Bのp型領域510に堆積された透明導電層512に結合される。赤及び緑色の二色発光構造700Bは、OCA接着剤である結合層704を用いて青色発光構造800に結合される。
結合層704はOCAから形成される。更なる複数の例において、追加的又は代替的な材料を用いて結合層704を形成する。
図2GのRGB色LED構造700Cが形成されたならば、図2Hに示す構造700Dを形成すべく処理される。
図2Hに、図2GのRGB色LED構造700Cの処理済みRGB色発光構造700Dを示しており、これによりハンドリングウェハ814及び結合層812が除去される。図2Hに示すように、ハンドリングウェハ814及び結合層812が除去されたならば、透明導電層706がRGB発光構造700Dのp型領域810の上に形成される。
図2Hに、p型領域810の最上部に透明導電層706を形成すべく処理された図2Gの二色発光構造700Cを示す。透明導電層706はp型領域810に堆積されたITOである。更なる複数の例において、透明導電層706は追加的又は代替的な材料から形成されている。
部分反射層604、504、804の反射特性を図2Iに示す。部分反射層804の、光の波長の関数としての反射応答は、青色光が反射され、緑及び赤色光は通過させるものであり、450nm~520nmの光の波長の範囲における反射ステップ変化により、800Aでのこの反射応答を示している。
部分反射層504の、光の波長の関数としての反射応答800Bを図2Iに示す。従って青及び緑色波長が反射されるものとして示す。反射率のステップ変化は520nm以降まで実質的に生じないため、青及び緑色光は反射されるが赤色光は部分反射層504を通過できる。
部分反射層604の、光の波長の関数としての反射応答800Cも図2Iに示す。従って、青、緑及び赤色波長が反射されるものとして示す。光の波長の関数としての反射のス
テップ変化は620nm以降まで実質的に生じない。
テップ変化は620nm以降まで実質的に生じない。
利点として、構造700Eは、より長い波長の光が部分反射層504、804を通過する一方、青色発光領域808からの短い波長の光は部分反射層804を通過せず、従ってより長い波長の発光領域508、608における光ルミネセンスが生じないように構成されている。同様に、緑色光は部分反射層504を通過せず、従って波長がより短い緑光色による照射の結果として赤色発光領域608の光ルミネセンスが生じないため、緑色発光領域508から発せられた光は、波長がより長い赤色発光領域608を照射しない。
部分反射層604、504、804は、二色発光構造700Eの最上部を通して抽出される光を最適化すべく赤、緑及び青色の主ピーク波長の反射及び透過を可能にすべく構成されているが、更なる複数の例において、異なる波長の光の生成を最適化すべく代替的又は追加的な発光領域608、508、808及び部分反射層604、504、804が用いられる。部分反射層に関して記述された特性を有するRGB発光構造700EがRGBLEDを形成すべく処理される。
図2A~2Iに関して記述する構造は、発光領域608、508、808への担体の注入により発光領域608、508、808の励起を可能にする電気接点を形成すべく、図1A~1Lの二色LEDと同様の仕方で処理することができる。例えば、図2HのRGB色LED構造700Dは次いで、ハンドリングウェハが発光RGB色発光構造700Dの透明導電層706に結合層を用いて結合されるように処理される。ハンドリングウェハは、OCAから形成された結合層を用いて透明導電層706に結合されたシリコンウェハである。更なる複数の例において、追加的又は代替的な材料が結合層で用いられる。また更なる複数の例において、追加的又は代替的な材料がハンドリングウェハで用いられる。
図2HのRGB色LED構造700Dが形成されたならば、成長基板602が除去される。成長シリコンウェハである基板602の除去は湿式エッチングを用いて実行される。一例において、湿式エッチングは、KOH溶液、フッ化水素酸、硝酸及びBOEを用いる。更なる複数の例において、追加的又は代替的な方法を用いて基板602を除去する。追加的又は代替的に、乾式エッチング技術を用いて、発光構造の基板602と残余部分の間に形成された緩衝層等の追加的な層を除去する。
基板602が除去されたならば、構造内に電気接点が形成される。電気接点の形成により、各々の発光領域608、508、808への担体注入が可能になる。これは、赤色発光領域608のn型領域606及びp型領域610との電気接点対を形成することにより、緑色発光領域508のn型領域506及びp型領域510との電気接点対を形成することにより、及び青色発光領域808のn型領域806及びp型領域810との電気接点対を形成することにより実現される。
これを図3に示しており、同図ではRGB色光発光構造900は構造900を貫通する選択的に形成されたビア孔902、904、906、908、910、912を有するように示している。ビア孔902、904、906、908、910、912はRGB色光発光構造900を選択的にエッチングすることにより形成される。これは、二色発光構造900に堆積されたレジスト層のパターン構成に基づくフォトリソグラフィ技術を用いて実現される。更なる複数の例において、代替的又は追加的な技術を用いてビア孔902、904、906、908、910、912を形成する。
ビア孔902、904、906、908、910、912は、発光領域608、508、808への担体注入を可能にする電気接点を形成すべく発光構造900を貫通するように形成される。
ビア孔902は、n型領域806との電気接点の形成を可能にすべく、部分反射領域604、n型領域606、発光領域608、p型領域610、透明導電層612、結合層、部分反射層504、n型領域506、発光領域508、p型領域510、透明導電領域512、結合層704及び部分反射層804を貫通すべく形成される。従って、ビア孔902はn型領域806への通路を提供する。
同様に、部分反射層604として示す部分反射領域を貫通してn型領域506に至るビア孔904、及びn型領域606に至るビア孔906を示す。n型領域に至るビア孔902、904及び906は、各々の発光領域808、508、608に関連付けられたn型領域との接点を形成する通路を提供する。
ビア孔912は、透明導電層706との電気接点の形成を可能にすべく、部分反射層604、n型領域606、発光領域608、p型領域610、透明導電層612、結合層、部分反射層504、n型領域506、発光領域508、p型領域510、透明導電領域512、結合層704、部分反射層804、n型領域806、発光領域808及びp型領域810を貫通すべく形成された状態で示されている。透明導電層706はp型領域810と電気的に接触しており、従ってp型領域の導電性が比較的低いことから、発光領域808の幅にわたり担体を分散させることが可能になる。更なる複数の例において、透明導電層706が当該機能の実行を求められておらず、代わりにビア孔912がp型領域810との電気的接続を直接提供すべく形成される。
ビア孔910は、透明導電層512との電気的接続の形成を可能にすべく、部分反射層604、n型領域606、発光領域608、p型領域610、透明導電層612、結合層702、部分反射層504、n型領域506、発光領域508及びp型領域510を貫通すべく形成された状態で示されている。透明導電層512はp型領域510と電気的に接触しており、従ってp型領域の導電性が比較的低いことから、発光領域508の幅にわたり担体を分散させることが可能になる。更なる複数の例において、透明導電層512は当該機能の実行を求められておらず、代わりにビア孔910がp型領域510との電気的接続を直接提供すべく形成される。
ビア孔908は、透明導電層612との電気的接続の形成を可能にすべく、部分反射層604、n型領域606、発光領域608及びp型領域610を貫通すべく形成された状態で示されている。透明導電層612はp型領域610と電気的に接触しており、従ってp型領域の導電性が比較的低いことから、発光領域608の幅にわたり担体を分散させることが可能になる。更なる複数の例において、透明導電層612は当該機能の実行を求められておらず、代わりにビア孔908がp型領域610との電気的接続を直接提供すべく形成される。
従って、ビア孔908、910、912は、発光領域608、508、808の各々に関連付けられたp型領域との電気的接続の形成を可能にする経路を提供する。
これにより、1対のビア孔902、912が青色発光領域808に電極対を形成する手段を提供する。別の対のビア孔904、910は緑色発光領域508に電極対を形成する手段を提供する。他方の対のビア孔906、908は赤色発光領域608に電極対を形成する手段を提供する。
赤、緑及び青色発光領域608、508、808の各領域との接点を形成すべく、各々のビア孔902、904、906、908、910、912の内壁上に絶縁体層が形成されてよい。
所望の領域との電気的接続が確立できるようにビア孔902、904、906、908、910、912が絶縁されたならば、導電材料が各々のビア孔902、904、906、908、910、912に形成される。導電材料は、絶縁されたビア孔902、904、906、908、910、912にメッキされた金属である。更なる複数の例において、導電材料は追加的又は代替的な材料であり、更なる複数の例において、他の技術を用いて導電材料を堆積することにより、ビア孔902、904、906、908、910、912が接触する領域との電気接点を形成する。
発光領域608、508、808に担体を注入すべく制御された電気的接続を可能にすべく、図3のRGB色光構造900は更に処理される。
図3に、ビア孔902、904、906、908、910、912に形成された電極との接続を行うべく結合及び整列された追加的な貫通シリコンビア孔902を示す。
貫通シリコンビア孔902は結合層(図示せず)を介して構造900の部分反射層604に結合されている。発光構造との電気接点が形成されたならば、ハンドリングウェハ及び結合層を構造900から除去することができる。
ハンドリングウェハ及び結合層の除去により図3に示すようなRGB色LED構造900が形成される。図3の発光構造は導電透明層706を透過する光を発すべく構成されている。
利点として、部分反射層604は実質的に赤色光を反射すべく構成されている。更に、部分反射層504は、実質的に緑色光を反射することにより緑色光が緑色発光領域508から赤色発光領域608へ通過するのを防止しながら、赤色光が実質的に自身を通過して透明導電層706を介して発光可能にすべく構成されている。利点として、当該構成以外ならば赤色発光領域608内で発光を励起したであろう緑色光がこれを行うことを防止する。
利点として、部分反射層804は、赤及び緑色光が実質的に自身を通過して透明導電層706を介して発光可能にする一方、実質的に赤及び緑色光を反射することにより、青色光が青色発光領域808から赤色発光領域608、又は緑色発光領域508へ通過するのを防止すべく構成されている。利点として、当該構成以外ならば赤及び緑色発光領域608、508内で発光を励起したであろう青色光がそうするのを防止する。
利点として、透明導電層706を介して当該構造の最上部を貫通する発光性能が向上する。
図2及び3に関して記述する発光構造は、有機金属化学蒸着(MOCVD)及び分子線エピタキシー等のエピタキシャル化合物半導体成長技術を用いて形成される。
上述のエピタキシャル結晶性化合物半導体層の成長はシリコンウェハ上での成長/堆積を用いて行われる。代替的又は追加的に、例えばサファイアウェハ又は自立窒化ガリウム(GaN)ウェハ等、他のウェハを用いる。
特定のエピタキシャル結晶性化合物半導体層を図2及び3に示しているが、当業者には更なる複数の例において代替的又は追加的な層が用いられることが理解されよう。更に、いくつかの例において、本明細書に記述する概念の本質を維持しながら、エピタキシャル結晶性化合物半導体層の一部が除去されている。
図2及び3に関して記述する発光構造は窒化物を主成分とする材料から形成されている。特に、エピタキシャル結晶性化合物半導体層は窒化ガリウム(GaN)を主成分とする材料である。図2及び3に関して記述する構造は窒化物を主成分とする半導体合成物材に関係しているが、当業者には、本明細書に記述する概念が他の半導体材料、例えば他のIII~V族化合物半導体材料、又はII~VI族化合物半導体材料に適用できることが理解されよう。
発光領域608、508、808は複数の量子井戸(MQW)を含むように形成されている。青色発光領域808は、担体がMQW内で放射的に結合した際に、青色の主ピーク波長を有する光を発すべく構成されたMQWを含んでいる。MQWはGaNを主成分とする複数層間でエピタキシャル的に成長した窒化インジウムガリウム(InGaN)から形成され、個々の量子井戸の組成は自身から発光可能な所望の波長の光を生成すべく調整される。発光領域608、508、808内に複数のMQWが記述されているが、代替的に単一の量子井戸(SQW)層が用いられる。更なる複数の例において、発光領域608、508、808は量子ドット(QD)を含み、当該QDは自身の内部で担体が放射的に結合した際に光を発すべく構成されている。発光領域808から発せられた光の主ピーク波長は青色に設定されているが、更なる複数の例において、発光領域808は追加的又は代替的に異なる主ピーク波長の光を発すべく構成されている。
緑色発光領域508は、担体がMQW内で放射的に結合した際に緑色の主ピーク波長を有する光を発すべく構成されたMQWを含んでいる。MQWはGaNを主成分とする複数層間でエピタキシャル的に成長した窒化インジウムガリウム(InGaN)から形成され、個々の量子井戸の組成は自身から発光可能な所望の波長の光を生成すべく調整される。発光領域508内に複数のMQWが記述されているが、代替的に単一の量子井戸(SQW)層が用いられる。更なる複数の例において、発光領域508は量子ドット(QD)を含み、当該QDは自身の内部で担体が放射的に結合した際に光を発すべく構成されている。上述の発光領域508から発せられた光の主ピーク波長は緑色に設定されているが、更なる複数の例において、発光領域508は追加的又は代替的に異なる主ピーク波長の光を発すべく構成されている。
赤色発光領域608は、担体がMQW内で放射的に結合した際に赤色の主ピーク波長を有する光を発すべく構成されたMQWを含んでいる。MQWはGaNを主成分とする層の間でエピタキシャル的に成長した窒化インジウムガリウム(InGaN)から形成され、個々の量子井戸の組成は自身から発光可能な所望の波長の光を生成すべく調整される。発光領域608内に複数のMQWが記述されているが、代替的に単一の量子井戸(SQW)層が用いられる。更なる複数の例において、発光領域608は量子ドット(QD)を含み、当該QDは自身の内部で担体が放射的に結合した際に光を発すべく構成されている。発光領域608から発せられた光の主ピーク波長は赤色に設定されているが、更なる複数の例において、発光領域608は追加的又は代替的に異なる主ピーク波長の光を発すべく構成されている。
図2及び3のRGB発光構造に関して記述する部分反射層604をDBRとして示しているが、更なる複数の例において、追加的又は代替的に金属層等の反射層が用いられる。利点として、部分反射層604が最上部の発光LED構造の底部にあるため、反射層に衝突した光は発光のためLEDの最上部へ反射される。
更なる複数の例において、追加的又は代替的な発光構造及び/又は付随する部分反射層が実装される。例えば、4個の異なる光の波長で4個の異なる色の光を発する多色構造で。
更に、当業者には、上述の仕方で多色発光LED構造を形成する結果、個々の発光構造を形成する処理、又はこれら個々の発光構造を合わせて得られた構造の処理に関わる処理ステップのいずれかで複数の層を当該構造に組み込むことにより、処理ステップを減らして効率的且つ高品質な材料が生成されることが理解されよう。しかし、当業者には、更なる複数の例において、追加的又は代替的なステップを用いて構造を形成し、異なる又は追加的な利点を得るためにステップの順序が選択されることが更に理解されよう。
図1A~1Lに関して記述する構造は、最下部、従って後続のエピタキシャル層の成長のための出発点、を画定する元の成長基板に対して最上面から光を発すべく構成されているが、他の例において発光領域の順序は逆転する。これを例えば図4Aに示す。図4Aに、透明基材1002の上に形成された二色発光構造1000を示す。透明基材1002の上に形成されたn型層1004、n型層1004の上に形成された青色発光領域1006、及び青色発光領域1006の上に形成されたp型層1008を示す。上述と同様の仕方で、透明基材1002の上に形成された青色発光構造は、緑色発光構造の部分反射層1014と青色発光構造の透明導電層1010を互いに結合する結合層1012を用いて緑色発光構造に結合される。緑色発光構造は、DBR1014の上に形成されたn型層1016を有している。n型層1016の上に緑色発光領域1018が形成されている。緑色発光領域の上にp型領域1020が形成されている。
二色発光構造は、緑色発光構造のp型領域1020の上に形成された透明導電層1022及び透明導電層1022の上に形成された反射金属層1024を有している。利点として、最上部の金属層1024は、透明基材1002を介して、緑色光を反射して構造の最下部から出射させるべく機能するため、当該構造は1個の部分反射層しか含んでいない。利点として、部分反射層1014は反射特性1100を有しているため、青色光は当該層で反射され、緑色光は当該層を透過する。適当な電気接点が形成されたならば、当該構造からの発光性能が向上する。
図4Bに、二色LED1200を形成すべく処理された図4Aの構造1000を示す。二色LED1200には、上述と同様の仕方で当該構造を貫通する電気的接続部1202、1204、1206、2108が形成されている。従って、電極対は発光領域1018、1006への担体注入を可能にする(緑色発光領域1018の場合は電極対1204、1206、及び青色発光領域1006の場合は電極対1202、1208)。RGBLEDの場合も、ここでの記述と同様である。
図2及び3に関して記述する構造は、最下部、従って後続のエピタキシャル層の成長のための出発点を画定する元の成長基板に対して最上面から光を発すべく考慮しているが、他の例において発光領域の順序は逆転する。これを例えば図5Aに示す。図5Aに、透明基材1302の上に形成されたRGB発光構造1300を示す。上述と同様の仕方で、透明基材1302の上に形成された青色発光構造は、緑色発光構造の部分反射層1314と青色発光構造の透明導電層1310を互いに結合する結合層1312を用いて緑色発光構造に結合される。赤色発光構造は、赤色発光構造の部分反射層1326と緑色発光構造の透明導電層1322を互いに結合する結合層1324を用いて緑色発光構造に結合される。赤色発光構造は、上部にp型層1332が形成された赤色発光領域1330が上部に形成されたn型層1328が上部に形成されたDBR1326を含んでいる。
RGB色光発光構造は、赤色発光構造のp型領域1332の上に形成された透明導電層(図示せず)、及び透明導電層の上に形成された反射金属層1334を有している。利点として、最上部の金属層1334は、透明基材1302を介して、赤色光を反射して構造の最下部から出射させるべく機能するため、当該構造は2個の部分反射層しか含んでいな
い。利点として、部分反射層1326は反射特性1400Aを有しているため、青及び緑色光(各々約450nm~520nm)は反射され、赤色(約620nm)は当該層を透過する。利点として、部分反射層1314は、青色光を反射し、緑及び赤色光は透過させる特性1400Bを有している。従って、適当な電気接点が形成されたならば、当該構造からの発光性能が向上する。
い。利点として、部分反射層1326は反射特性1400Aを有しているため、青及び緑色光(各々約450nm~520nm)は反射され、赤色(約620nm)は当該層を透過する。利点として、部分反射層1314は、青色光を反射し、緑及び赤色光は透過させる特性1400Bを有している。従って、適当な電気接点が形成されたならば、当該構造からの発光性能が向上する。
図5Bに、二色LED1500を形成すべく処理された図5Aの構造1300を示す。二色LED1500には、上述と同様の仕方で当該構造を貫通する電気的接続部が形成されている。従って、電極対は発光領域1306、1318、1330への担体注入を可能にする。
Claims (27)
- 発光構造を形成する方法であって、
第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第1の発光領域を形成するステップと、
前記第1の主ピーク波長とは異なる第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第2の発光領域を形成するステップと、
前記第1の発光領域と前記第2の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された部分反射層を形成するステップとを含み、前記部分反射層が、前記第1の発光領域により発せられた前記第1の主ピーク波長を有する光を反射し、前記第2の発光領域により発せられた前記第2の主ピーク波長を有する光が前記部分反射層を通過できるようにすべく構成されていて、前記部分反射層が、交互に積層された多孔度が異なる結晶性エピタキシャル層を含む分散ブラッグ反射器を含んでいる方法。 - 前記第2の主ピーク波長が前記第1の主ピーク波長よりも長い、請求項1に記載の方法。
- 前記発光構造を形成するステップが主発光表面領域を形成するステップを含み、前記第1の主ピーク波長及び前記第2の主ピーク波長を有する光が前記発光構造から前記主発光表面領域を介して発せられる、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記方法が、前記第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第1の発光領域を含む第1の発光素子を、前記第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第2の発光領域を含む第2の発光素子に結合するステップを含み、好適には前記第1の発光素子及び前記第2の発光素子が、各々が発光領域とn型領域とp型領域を含む発光ダイオード素子であり、好適には前記第1の発光領域及び前記第2の発光領域が少なくとも1個のエピタキシャル量子井戸を含み、好適には前記第1の発光素子及び前記第2の発光素子の少なくとも一方が前記部分反射層を含んでいる、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記発光構造が、前記第1及び第2の主ピーク波長とは異なる第3の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第3の発光領域を含み、好適には前記方法が、前記第3の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第3の発光領域を含む第3の発光素子を、前記第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第1の発光領域を含む前記第1の発光素子及び/又は前記第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第2の発光領域を含む前記第2の発光素子に結合するステップを含み、好適には前記第3の発光素子が発光領域とn型領域とp型領域を含む発光ダイオード素子であり、好適には前記第3の発光領域が、好適には前記第2の発光領域と前記第3の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された第2の部分反射層を含む少なくとも1個のエピタキシャル量子井戸を含み、前記部分反射層が、前記第1の発光領域により発せられた前記第1の主ピーク波長を有する光及び前記第2の発光領域により発せられた前記第2の主ピーク波長を有する光を反射し、前記第3の発光領域により発せられた前記第3の主ピーク波長を有する光が通過できるようにすべく構成されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
- 結合が、前記第2の発光素子に対する前記第1の発光素子の配置を容易にすべくハンドリング素子を用いるステップを含み、好適には前記ハンドリング素子を前記第1の発光素子に結合するステップを含んでいる、請求項4又は5に記載の方法。
- 前記第1の発光素子及び/又は前記第2の発光素子が基板を含み、好適には、請求項4
に依存する場合、好適には湿式エッチングを用いて前記第1の発光素子及び/又は前記第2の発光素子の前記基板を除去することにより、前記第1の発光素子と前記第2の発光素子を結合する表面を形成するステップを含み、好適には前記第1の発光素子と前記第2の発光素子を結合する前に前記第1の発光素子の前記基板を除去するステップを含んでいる、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。 - 前記第1の発光素子と前記第2の発光素子が結合された後で前記ハンドリング素子を除去するステップを含んでいる、請求項6又は7に記載の方法。
- 前記第1の発光素子の上に透明導電層を配置するステップを含み、好適には更なるハンドリング素子を前記透明導電層に結合することにより前記発光構造内における電極の形成を容易にするステップを含んでいる、請求項1~8のいずれか1項に記載の方法。
- 1個以上の電極を形成するステップを含み、好適にはビア孔をエッチングすることにより1個以上の電極の少なくとも1個を形成するステップを含み、より好適には前記ビア孔の内壁の少なくとも一部に絶縁表面を形成するステップを含み、また更に好適には導体の少なくとも一部を前記ビア孔内に形成することにより接点の形成を可能にするステップを含んでいる、請求項1~9のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項5に依存する場合、前記ハンドリング素子が前記発光構造の反対側で基板に結合される、請求項6~10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記部分反射層を第2の基板上に形成された第2の発光素子に結合するステップを含み、好適には前記部分反射層を前記第2の発光素子の透明導電層に結合するステップを含んでいる、請求項4~のいずれか1項に記載の方法。
- 前記発光構造がガリウム窒化物を主成分とする構造を含んでいる、請求項1~12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記発光構造が有機金属化学蒸着により少なくとも部分的に成長する、及び/又は前記第1の発光領域及び/又は前記第2の発光領域が1個以上のエピタキシャル量子井戸層を含み、及び/又は前記発光構造が1個以上の結晶エピタキシャル化合物半導体層を含んでいる、請求項1~13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記交互に積層された多孔度が異なる結晶性エピタキシャル層が、多孔度が異なるエピタキシャルガリウム窒化物層を含んでいる、請求項1~14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記交互に積層された結晶性エピタキシャル層が、前記第1及び第2の発光領域の少なくとも一方に対する連続的な成長処理の一部として形成される、請求項16に記載の方法。
- 第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第1の発光領域と、
前記第1の主ピーク波長とは異なる第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第2の発光領域と、
前記第1の発光領域と前記第2の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された部分反射層とを含み、前記部分反射層が、前記第1の発光領域により発せられた前記第1の主ピーク波長を有する光を反射し(これにより前記第1の発光領域による前記第2の発光領域の照射を減らすため)、前記第2の発光領域により発せられた前記第2の主ピーク波長を有する光が前記部分反射層を通過できるようにすべく構成され、前記部分反射層が、交互
に積層された多孔度が異なる結晶性エピタキシャル層を含む分散ブラッグ反射器を含んでいる発光構造。 - 前記第2の主ピーク波長が前記主ピーク波長よりも長い、請求項17に記載の発光構造。
- 前記発光構造が主発光表面領域を含み、前記第1の主ピーク波長及び前記第2の主ピーク波長を有する光が前記主発光表面領域により前記発光構造から発せられる、請求項17又は18に記載の発光構造。
- 前記発光構造が、前記第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第2の発光領域を含む第2の発光素子に結合された、前記第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第1の発光領域を含む第1の発光素子を含み、好適には前記第1の発光素子及び前記第2の発光素子が、各々が発光領域とn型領域とp型領域を含む発光ダイオード素子であり、好適には前記第1の発光領域及び前記第2の発光領域が少なくとも1個のエピタキシャル量子井戸を含み、好適には前記第1の発光素子及び前記第2の発光素子の少なくとも一方が前記部分反射層を含んでいる、請求項17~19のいずれか1項に記載の発光構造。
- 前記発光構造が、前記第1及び第2の主ピーク波長とは異なる第3の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された第3の発光領域を含み、好適には前記第3の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第3の発光領域を含む第3の発光素子が、前記第1の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第1の発光領域を含む前記第1の発光素子及び/又は前記第2の主ピーク波長を有する光を発すべく構成された前記第2の発光領域を含む前記第2の発光素子に結合されていて、好適には前記第3の発光素子が発光領域とn型領域とp型領域を含む発光ダイオード素子であり、好適には前記第3の発光領域が少なくとも1個のエピタキシャル量子井戸を含んでいる、請求項17~20のいずれか1項に記載の発光構造。
- 前記第2の発光領域と前記第3の発光領域の間に少なくとも部分的に配置された第2の部分反射層を含み、前記部分反射層が、前記第1の発光領域により発せられた前記第1の主ピーク波長を有する光及び前記第2の発光領域により発せられた前記第2の主ピーク波長を有する光を反射し、前記第3の発光領域により発せられた前記第3の主ピーク波長を有する光が通過できるようにすべく構成されている、請求項21に記載の発光構造。
- 前記第1の発光素子及び/又は前記第2の発光素子が基板を含み、及び/又は前記第1の発光素子が透明導電層を含んでいる、請求項17~22のいずれか1項に記載の発光構造。
- 1個以上の電極を含み、好適には前記1個以上の電極がビア孔を含み、より好適には前記ビア孔が、前記ビア孔の内壁の少なくとも一部の上に絶縁表面を含み、更により好適には前記ビア孔が導体の少なくとも一部を前記ビア孔内に含んでいることにより接点の形成を可能にする、請求項17~23のいずれか1項に記載の発光構造。
- 前記部分反射層を、第2の基板上に形成された第2の発光素子に結合するステップを含んでいる、請求項17~24のいずれか1項に記載の発光構造。
- 前記発光構造が、ガリウム窒化物を主成分とする構造を含んでいる、及び/又は前記第1の発光領域及び/又は前記第2の発光領域が1個以上のエピタキシャル量子井戸層を含み、及び/又は前記発光構造が1個以上の結晶エピタキシャル化合物半導体層を含んでい
る、請求項17~25のいずれか1項に記載の発光構造。 - 前記交互に積層された多孔度が異なる結晶性エピタキシャル層が、多孔度が異なるエピタキシャルガリウム窒化物層を含んでいる、請求項17~26のいずれか1項に記載の発光構造。
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