JP6615106B2 - 構造化基板を備える発光ダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、基板内に中空部を形成した発光ダイオードなどの発光ダイオードに関する。
発光ダイオード（LEDs）、共振空洞発光ダイオード（RCLEDs）、垂直共振器レーザダイオード（VCSELs）及び端面発光レーザ（edge
emitting lasers）を含む半導体発光デバイスは、現在入手できる最大効率光源に属する。可視スペクトルにわたり動作可能な高輝度発光デバイスの製造において現在興味ある材料系は、III-V族半導体、特に、III-窒素材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、イリジウム及び窒素の二元、三元、四元合金を含む。代表的には、サファイア、シリコンカーバイド、シリコン、III-窒素その他の好適な基板上に、金属有機化学蒸着（MOCVD）、分子ビームエピタキシ（MBE）その他のエピタキシャル技法によって、異なる化合物及びドーパント濃度の半導体層の積み重ねをエピタキシャル成長させることにより、III-窒素発光デバイスが製造される。該積み重ねはしばしば、基板上で形成した、例えばシリコンでドーピングした１層以上のｎ型層、ｎ型単一層又複数層の上で形成した、活性領域内の１層以上の発光層、及び活性領域上で形成した、例えばMgでドーピングした１層以上のｐ型層を含む。ｎ型及びｐ型領域上に、電気的接続が形成される。
emitting lasers）を含む半導体発光デバイスは、現在入手できる最大効率光源に属する。可視スペクトルにわたり動作可能な高輝度発光デバイスの製造において現在興味ある材料系は、III-V族半導体、特に、III-窒素材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、イリジウム及び窒素の二元、三元、四元合金を含む。代表的には、サファイア、シリコンカーバイド、シリコン、III-窒素その他の好適な基板上に、金属有機化学蒸着（MOCVD）、分子ビームエピタキシ（MBE）その他のエピタキシャル技法によって、異なる化合物及びドーパント濃度の半導体層の積み重ねをエピタキシャル成長させることにより、III-窒素発光デバイスが製造される。該積み重ねはしばしば、基板上で形成した、例えばシリコンでドーピングした１層以上のｎ型層、ｎ型単一層又複数層の上で形成した、活性領域内の１層以上の発光層、及び活性領域上で形成した、例えばMgでドーピングした１層以上のｐ型層を含む。ｎ型及びｐ型領域上に、電気的接続が形成される。
図１は、米国特許第2012/0012856号公報に詳説された従来技術デバイスを示す。この米国特許第2012/0012856号公報は、III-窒素発光ダイオードのサファイア基板の成形を示す。米国特許第2012/0012856号公報は、段落４５において図１のデバイスを説明している。図１のデバイスは、サファイア基板４０４及びエピタキシャル層４０２を含むGaN発光ダイオード４０１である。傾斜４０５及び凹部４０４２がともに、基板内に形成される。サファイア基板４０４の下方部分が、分配されたブラッグ反射器４０７内に覆われる。シリコングルー（glue）４０８の層が、分配されたブラッグ反射器４０７の下及びサファイア基板４０４の傾斜上に適用されて、サファイア基板４０４の傾斜４０５からの光を反射する。期待できるように、図１のデバイスは、側部光ビームの増大により良好な光取り出し効率を有する。
本発明の一課題は、基板内に形成した中空部又は空洞を有するデバイスを提供することである。そのようなデバイスは、デバイスの側壁を通って効率的に光を取り出すことができる。空洞は、例えばプリズム、擬似角錐台又は多面体などの如何なる幾何学的形状であってもよいチャンバーの形態をとることができる。
本発明の実施形態は、半導体発光デバイスを含む。当該デバイスは、第１表面と、第１表面に対向する第２表面とを有する基板を含む。デバイスはさらに、基板の第１表面上に配置された半導体基板を含む。空洞又はキャビティ（cavity）が基板内に配置される。キャビティは、基板の第２表面から延びる。キャビティは側壁を有する。
本発明の実施形態は、主としてデバイスの両側部から光を取り出すLEDなどの、発光デバイスに向けられている。
以下の例においては、半導体発光デバイスは、青色光又は紫外線光を発するIII-窒素LEDであるが、III-V族材料、III-燐、III-ヒ素、II-VI族材料、ZnO、又はSiベース材料などの他の材料から作られた半導体発光デバイス及びレーザダイオードなどのLED以外の半導体発光デバイスも使用することができる。
図２は、本発明の実施形態で用いることのできるIII-窒素LEDのデバイスの構造を示す。如何なる好適な半導体発光デバイスも用いることができ、本発明の実施形態は、図２に示す配置、形状に限定されない。図２のデバイスは、従来技術で知られているように、成長基板上にIII-窒素半導体構造体１２を成長させることにより形成される。成長基板はしばしばサファイアであるが、例えば、非III-窒素材料、SiC、Si、GaN又は化合物基板などの如何なる好適な基板であってよい。その上にIII-窒素半導体構造体１２が成長される成長基板の表面１３は、成長前にパターン付け、粗面化又は織り目化（textured）されてよく、基板からの光取り出しを改善する。
半導体構造体１２は、ｎ型領域１６とｐ型領域２０との間に挟まれた、発光領域又は活性領域１８を含む。ｎ型領域１６を最初に成長させてよく、そして異なる化合物及びドーパント濃度の多重層を含めてもよい。多重層の例としては、バッファ層又は核生成層（nucleation layer）などの調整層（preparation layer）があり、ｎ型又は意図的にはドーピングしていないｎ型又はｐ型デバイス層であってよく、発光領域が効率的に発光することのために望まれる特定の光学特性、材料特性又は電気的特性を狙って設計することができる。
発光領域又は活性領域１８はｎ型領域の上に成長される。好適な発光領域の例として、単一の厚い若しくは薄い発光層又は多重量子井戸発光領域を含む。多重量子井戸発光領域は、バリア層により分離された多重の薄い又は厚い発光層を含む。
ｐ型領域２０は、発光領域の上に成長される。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域も、意図的にはドーピングしていないｎ型層を含む、異なる化合物、厚さ、ドーパント濃度の多重層を含んでもよい。
ｐ型領域２０及び活性領域１８の一部が除去されて、一部のｎ型領域１６が露出され、そこにコンタクト２２が形成される。
ｐコンタクト２１が形成されるエリアにおいて、ｐ型領域２０上に電流ブロッキング層２３を形成できる。電流ブロッキング層２３は、ｐコンタクト直下の活性領域内に電流が出射するのを防止して、この領域で生成される光の量を阻止し或いは減少させる。ｐコンタクト直下で生成される光はｐコンタクト２１で吸収され失われ得る。電流ブロッキング層２３は、例えばシリコン酸化物、SiO2、及びシリコンの窒化物などの誘電材料を含む如何なる好適な材料からも形成することができる。
電流ブロッキング層及びｐ型領域２０の残る表面の上に透明導電層２４を形成することができる。透明導電層２４は、ｐ型領域２０内に拡散する電流を提供できる。好適な材料の例としては、イリジウム錫オキサイド（ITO）などの透明導電酸化物を含む。
ｐコンタクト２１が光学的電流ブロッキング層２３の上に形成される。ｎコンタクト２２及びｐコンタクト２１は、アルミニウム、金又は銀などの如何なる好適な材料であってもよい。ｎコンタクト２２及びｐコンタクト２１は、同一の材料である必要はない。ｎコンタクト２２及びｐコンタクト２１は、シリコン酸化物又は如何なる好適な材料などの誘電体で充填できるギャップ２５により、互いに電気的に分離される。
図３は、図２に示すｎコンタクト及びｐコンタクトの平面斜視図である。ｎコンタクトはｎコンタクト２２パッド２２及びｎコンタクトアーム２２Ａを含む。ｎコンタクトアーム２２Ａは、ｎコンタクトパッド２２よりも狭く、ｎコンタクトパッド２２から伸びている。ｐコンタクトは、ｐコンタクトパッド２１並びに２つのｐコンタクトアーム２１Ａ及び２１Ｂを含む。ｐコンタクトアーム２１Ａ及び２１Ｂは、ｐコンタクトパッド２１よりも狭く、ｐコンタクトパッド２１から伸びている。図３に示す配置において、ｎコンタクトアーム２２Ａは、ｐコンタクトアーム２１Ａ及び２１Ｂに挿入される。ギャップ２５は、デバイスのｐ型領域から、ｎコンタクトアームパッド２２及びｎコンタクトアーム２２Ａを電気的に分離する。如何なる好適な材料のコンタクトも用いることができる。本発明は、図３に示す配置、形状に限定されない。
透明導電層２４を通過して、デバイスの頂部表面を通して光を取り出すことができる。
LEDウェファはしばしば、方形LEDにダイシングされる。ある実施形態においては、デバイスは、方形以外の形状である。例えば、図３に示すデバイスは、長方形である。デバイスは、非制限的に多角形、円形、六角形を含む如何なる形状であってもよい。図３に示す長方形デバイスにおいて、デバイスの短辺は、例えば、ある実施形態において500μm幅でよく、ある実施形態においては少なくとも350μm幅であってよく、ある実施形態においては650μm幅以下であってもよい。図３に示す長方形デバイスの長辺は、例えば、ある実施形態において少なくとも650μm幅でよく、ある実施形態においては700μm幅以下であってよく、ある実施形態においては800μm幅以下であってもよい。
本発明のある実施形態において、基板１０は、デバイスの側部からの光取り出しを改良するように形状づけられる。ある実施形態において、本明細書では中空とも呼ばれるキャビティが、基板１０に形成される。キャビティは、例えば、プリズム、擬似角錐台（prismatoid）又は多面体（polyhedron）などの如何なる好適な幾何学的形状であってよいチャンバーの形態をとってよい。図４及び図５Ａは、キャビティの一例を示す断面図である。図４は、図３に示す線２８に沿って切った一部断面図である。図５Ａは、図３に示す線２９に沿って切った一部断面図である。図４は及び図５Ａは、成長基板１０の形状を示している。半導体構造体１２は、参照のために単純な形態内に含まれる。コンタクト２１及び２２、電流ブロッキング層２３並びに透明導電層２４は、明瞭化のために省略してある。
図４及び図５Ａに示されるように、基板１０は中空部４０を形成するように形状づけられ、中空部４０は、半導体構造体１２に対向する基板表面から半導体構造体に向けて延びる。中空部４０は、図４に示す断面図において、三角形断面を有する。従来技術デバイスと同様に、基板の外部側壁は実質的に鉛直である。従来技術デバイスにおけると同様に、デバイスのウェファからデバイスをダイシングする際に外部側壁が形成されることが多い。
図４に示されるように、長方形デバイスの短辺に沿って切った断面図において、中空部４０の傾斜側壁４２および４４の各々が、平面３０との間に鋭角３２及び３４を形成している。平面３０は、半導体構造体の成長方向に垂直（すなわち、半導体構造体１２の主面に平行）であり、半導体構造体１２が成長される基板１０の表面に平行である。角度３２及び３４は、同じ角度でよいが、その必要もない。傾斜側壁４２および４４それぞれが平面５８及び５８Ａとの間で鋭角６０及び６２をなす。平面５８は、半導体構造体の成長方向に平行であり、半導体構造体１２が成長される基板１０の表面に垂直である。角度６０及び６２は、同じ角度でよいが、その必要もない。ある実施形態において、角度６０及び６２は、３０°又はそれ未満である。ある実施形態において、図４に示す断面図中、側壁４２および４４に加えて、中空部４０が、平面３０に平行な壁を有する（言い換えれば、図４で示す三角形ではなく、接頭三角形となる）。成長基板は、側壁４２および４４のそれぞれに近接した表面５０及び５２を有する。表面５０及び５２は、平面３０に平行であってもよい。変形的には、側壁４２および４４が、基板１０の外方端にまで延びて、表面５０及び５２を排除してもよい。
図５Ａに示されるように、図３のデバイスの端部近くで、長方形デバイスの長辺に沿って切った断面図において、三角形中空部４０の頂部３５が破線で示されている。頂部３５を表す破線に沿った全ての点において、図５Ａの平面の外に延びる断面は、図４に示す断面となる。図５Ａに示す断面が沿う線２９の位置が、図４に示されている。
図４で光線４５として示されているように、半導体構造体１２の発光領域により基板１０へ向けて発せられる光が中空部４０の側壁上に入射し、反射されてデバイスの側方に出る。
図３に示す斜視図において、デバイスは長方形であり、それにより、図５Ａに示す断面は図４に示す断面よりも実質的に長い。デバイスが正方形又はほぼ正方形である実施形態においては、図５Ｂに示すように、線２８及び３１に沿って切った２つの断面が同じ長さになる。そのような実施形態においては、線２８及び３１に沿って切った２つの断面は、図４に示した断面のようになるかも知れない。
形状づけられた基板は、例えば中空部４０を形成するように基板材料を除去すること、又は中空部４０を形成するように基板を選択的に成長させることにより、形成することができる。エッチングブラスティング又はレーザブラスティングなどの、如何なる好適な除去技法をも用いることができる。レーザブラスティング中の入射角は、図４に示す断面に示される形状を形成するように選択できる。
中空部は、基板１０の体積の有意の部分を含む。例えば、ある実施形態において、中空部４０は、基板１０の総体積（すなわち、基板１０の総体積は、中空部４０の容積プラス基板１０の残る部分の体積である。）の少なくとも５０％であってもよい。他の実施形態においては、中空部４０は、基板１０の総体積の少なくとも６０％であってもよい。
基板１０は、図４に示されるように、厚さ４１を有する。厚さ４１は、第１（頂部）表面及び第２（底部）表面の両方に垂直な方向に測定される。第１表面の上には半導体構造体１２が形成され、第２表面から中空部４０が延びる。基板１０の厚さ４１は、ある実施形態において少なくとも４００μｍ厚であってよく、ある実施形態において少なくとも５００μｍ厚であってよく、ある実施形態において１０００μｍ以下の厚さであってよい。デバイスが長方形である実施形態においては、基板１０の厚さ４１は、長方形の短辺の長さの少なくとも９０％である。
図４に示されるように、中空部４０の最深部４３は、基板厚さ４１と同じ方向に測定され、ある実施形態において基板１０の厚さの少なくとも７０％であってよく、ある実施形態において基板１０の厚さの少なくとも８０％であってよく、ある実施形態において基板１０の厚さの少なくとも９０％であってもよく、ある実施形態において少なくとも２００μｍ深さであってよく、ある実施形態において少なくとも３００μｍ深さであってよく、ある実施形態において５００μｍ以下の深さであってよい。
ある実施形態において、中空部４０の傾斜側壁は、図４で示されるように、反射性材料６４で被覆される。任意の好適な技法により形成された如何なる好適な反射性材料も用いることができ、例えば、銀、白色反射ペイントなどの反射性被覆、又は分散されたブラッグ反射器（distributed Bragg reflectors, DBR）などの多重層構造体などの反射性材料を含む。反射性材料６４は、電気的伝導体又は電気的絶縁体であってよい。
図６は、高屈折率被覆及び熱伝導性材料を含むデバイスを示す。
ある実施形態において、図６に示されるように、中空部４０の全部又は一部が熱伝導性材料６６で充填される。如何なる材料も用いることができ、例えば銅などの金属が含まれる。熱伝導性材料は、ヒートシンクその他の好適な外部構造体に熱的に結合される。
ある実施形態において、図６に示されるようにｎコンタクト及びｐコンタクトが形成されるデバイスの表面に、高屈折率被覆６８が形成される。高屈折率被覆６８は、デバイス頂部表面における全反射を増大することにより、デバイスの側部からの光取り出しを改良する。それは、デバイスの頂部からの光取り出しの量を減少させる。高屈折率被覆６８は、ある実施形態において少なくとも1.5の屈折率を有してよく、ある実施形態において少なくとも1.6の屈折率を有してよく、ある実施形態において少なくとも1.8の屈折率を有してよく、ある実施形態において少なくとも2の屈折率を有してよい。高屈折率被覆６８は、如何なる技法により形成された如何なる材料であってもよい。例として、SiOx、SiO2、SiN、及び蒸着により形成された誘電材料が含まれる。高屈折率被覆６８は、ある実施形態において多重層構造体であってもよい。ある実施形態において、高屈折率被覆６８の頂部表面７０は、粗面化され、パターン付けされ、或いは織り目化（textured）されて、光取り出しを改良する。粗面化され、パターン付けされ、或いは織り目化（textured）された表面は、光を回折し、デバイスの側部から外へ放射される光の量を増加させることができる。側部放射のために最適化されたフォトニック結晶構造体又は格子構造体を、高屈折率被覆６８の頂部表面７０上に形成することができる。例えば、高屈折率被覆６８の頂部表面７０は、３側面ピラミッド７２を周期的配列に形成することができる。周期的配列の例として、三角形格子、ハニカム格子、又は他の如何なる好適な周期的配列がある。ピラミッド７２は、例えば、ある実施形態において少なくとも0.5μｍ高さであってよく、ある実施形態において２μｍ以下の高さであってよく、ある実施形態において１μｍ高さであってよい。ピラミッド７２の底部は、例えば、ある実施形態において少なくとも0.5μｍ幅であってよく、ある実施形態において少なくとも２μｍ以下の幅であってよく、ある実施形態において１μｍ幅であってよい。
図７は、封止したデバイスを示す。封止材８０は、例えば、エポキシ、樹脂、ガラス、又はシリコーンなどの如何なる材料であってもよい。封止材８０は、例えば、モールディング、又はゾル−ゲル法を含む如何なる技法により形成してもよい。ある実施形態において、封止材は、別個に形成した後に、例えばデバイス１に直接に接着することにより、又はデバイスが搭載されているマウント８４に接着することにより、デバイス１上方に配置する。ある実施形態において、デバイスがマウント８４上に搭載され、封止材８０及びマウント８４が完全にデバイスを包囲して、汚染物質がデバイスに到達することを防止する。
ある実施形態において、封止材８０がレンズその他の好適な光学素子へと形状づけられる。例えば、封止材８０が、図７に示されるようなドームレンズ、フレネルレンズ、又は他の好適な形状に成形される。図７に示されるように、封止材８０はデバイス１の側壁を越えて延びてよい。封止材８０は、構造体の底部に沿って、デバイス１よりも幅広い。ある実施形態において、封止材８０は、デバイス１と直接接触している。ある実施形態において、図７に示されるように、ギャップ８２がデバイス１と封止材８０とを分離する。ギャップ８２はしばしば、空気で充填されるが、他の好適な材料で充填されてもよい。ある実施形態において、封止材８０は高屈折率を有する。例えば、封止材８０の屈折率は、ある実施形態において１より大きくてよく、ある実施形態において少なくとも1.5であってよく、ある実施形態において少なくとも1.8であってよい。もしギャップ８２が含まれる場合において、ギャップ８２を充填する材料は、低吸収性、低屈折率の材料であってよい。例えば、ギャップ８２を充填する材料の屈折率は、ある実施形態において１以下であってよい。
本発明の実施形態は、主として側部から光が取り出される入手可能な他のデバイスよりも効果がある。本明細書で説明した実施形態は、現在入手可能な側部発光デバイスに比較して、取り出し一様性を改良し、斑点を減少させることができた。本明細書で説明した実施形態は、デバイスの側部からの高い光取り出し効率を有することができる。本明細書で説明した実施形態は、かなりコンパクトであり、コスト効果的である。何故ならば、本明細書で説明した実施形態は、複雑で大きく費用の高い二次的光学素子なしに、図示のように用いることができるからである。
本発明を詳細に説明してきたけれども、本明細書で説明した本発明の精神から逸脱せずに、本開示について、修正が可能であることは当業者に明白である。前述の特徴の全ての組み合わせは、本発明の範囲内のものである。例えば、前述のある特徴は、他の実施形態に含むことができ、また他の実施形態から省略することもできる。ゆえに、本発明の範囲が説明し図示した特定の実施形態に限定されることは意図されていない。
Claims (14)
- 半導体発光デバイスであって、
第１表面及び該第１表面に対向する第２表面を有する基板と、
前記基板の前記第１表面上に位置し、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた発光領域、前記ｎ型領域に結合されたｎコンタクト、前記ｐ型領域に結合された透明導電層及び該透明導電層に結合されたｐコンタクトを有する半導体構造体であり、前記ｎコンタクト及び前記ｐコンタクトが前記第１表面に対向する当該半導体構造体の表面上に形成された、半導体構造体と、
前記基板内に位置する空洞であり、前記基板の前記第２表面から延び、傾斜した側壁を有する空洞と、
前記ｎコンタクト及び前記ｐコンタクトの上に位置し、全反射を増大させる高屈折率材料であり、少なくとも１．５の屈折率を有する高屈折率材料と、
を含む半導体発光デバイス。 - 請求項１に記載の半導体発光デバイスであり、
前記基板が、前記第１表面及び前記第２表面に垂直な第１方向に厚さを有し、
前記第１方向に測定した前記空洞の最深部が、前記基板の前記第１方向の前記厚さの少なくとも７０％である、
半導体発光デバイス。 - 請求項１に記載の半導体発光デバイスであり、
前記空洞が、第１軸線に沿った三角形断面を有する、
半導体発光デバイス。 - 請求項３に記載の半導体発光デバイスであり、
前記空洞が、前記第１軸線に垂直な第２軸線に沿った三角形断面を有する、
半導体発光デバイス。 - 請求項４に記載の半導体発光デバイスであり、
方形形状である半導体発光デバイス。 - 請求項１に記載の半導体発光デバイスであり、
前記空洞が、前記空洞の容積プラス前記基板の体積から成る体積の少なくとも５０％を含む、
半導体発光デバイス。 - 請求項１に記載の半導体発光デバイスであり、
当該半導体発光デバイスが長方形形状であり、
前記基板の最大厚の点における厚さが、長方形半導体発光デバイスの短辺の長さの少なくとも９０％である、
半導体発光デバイス。 - 請求項１に記載の半導体発光デバイスであり、
前記空洞の傾斜した側壁と前記第１表面に垂直な平面との角度が３０°以下である、
半導体発光デバイス。 - 請求項１に記載の半導体発光デバイスであり、
前記第１表面が織り目化してある、
半導体発光デバイス。 - 請求項９に記載の半導体発光デバイスであり、
前記透明導電層に対向する前記高屈折率材料の表面が織り目化してある、
半導体発光デバイス。 - 請求項１０に記載の半導体発光デバイスであり、
前記高屈折率材料の織り目化した表面が、格子状に配列された複数の３側面ピラミッドを含む、
半導体発光デバイス。 - 半導体発光デバイスであり、
第１表面及び該第１表面に対向する第２表面を有する基板と、
前記基板の前記第１表面上に位置し、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた発光領域、前記ｎ型領域に結合されたｎコンタクト、前記ｐ型領域に結合された透明導電層及び該透明導電層に結合されたｐコンタクトを有する半導体構造体であり、前記ｎコンタクト及び前記ｐコンタクトが前記第１表面に対向する当該半導体構造体の表面上に形成された、半導体構造体と、
前記基板内に位置する空洞であり、前記基板の前記第２表面から延び、傾斜した側壁を有する空洞と、
前記ｎコンタクト及び前記ｐコンタクトの上に位置し、全反射を増大させる高屈折率材料と、
前記半導体構造体及び前記基板の上に位置する封止材と、
を含み、
前記封止材が当該半導体発光デバイスに直接接触し高屈折率を有する、半導体発光デバイス。 - 請求項１２に記載の半導体発光デバイスであり、
前記封止材が光学素子に形状づけられている、
半導体発光デバイス。 - 請求項１３に記載の半導体発光デバイスであり、
前記光学素子がレンズである、
半導体発光デバイス。
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