JP7366071B2 - ダイオードアレイを備えた光電子デバイス - Google Patents
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Description
本開示は、半導体材料から構成されている発光ダイオードを備えた光電子デバイス、特に表示画面又は画像投影デバイス、及びこれらの製造方法に関する。
透明な画面、例えば単眼鏡、自動車のフロントガラス又は窓ガラスの導波管回折格子の入力に画像を投影し、その後、その画像をユーザの目に向かって投影することが知られている。このような技術は、例えばスマートグラス又は拡張現実グラスのための場合である。このために、光電子デバイスが画像を画面に投影する。その結果、画像が画面に導かれて、ユーザが画像を見ることを可能にするシステムに達する。光電子デバイスは、例えば半導体材料から構成されている発光ダイオードを備えてもよい。ディスプレイは一般に、所与の方向に実質的に伝搬する、発光ダイオードによって放射される放射線のみを適切に導くように構成されている。従って、発光ダイオードによって与えられる放射線の指向性は、このような光電子デバイスの重要な特性である。
従って、実施形態は、アキシャルダイオードのアレイを備えており、各アキシャルダイオードは、定常電磁波が形成される共振空胴を形成し、実質的に電磁波の極値のレベルに配置されたアクティブ領域を有し、前記アレイは、前記アレイのアキシャルダイオードによって与えられる電磁放射線の強度を最大化するように構成されたフォトニック結晶を形成していることを特徴とする光電子デバイスを提供する。
実施形態によれば、前記アレイは、前記アキシャルダイオードが載置されている支持体を有し、各アキシャルダイオードは、前記支持体に載置された第１の半導体領域、前記第１の半導体領域と接する前記アクティブ領域、及び前記アクティブ領域と接する第２の半導体領域の積層体を有している。
実施形態によれば、前記光電子デバイスは、前記支持体と前記アキシャルダイオードの第１の半導体領域との間に反射層を更に備えている。
実施形態によれば、前記反射層は金属で形成されている。
実施形態によれば、前記アキシャルダイオードの第２の半導体領域は、前記アキシャルダイオードによって放射される放射線を少なくとも部分的に通す導電層で覆われている。
実施形態によれば、前記アキシャルダイオードの少なくとも１つの高さは実質的にｋλ／２ｎに比例し、λは前記アキシャルダイオードによって放射される放射線の波長であり、ｋは正の整数であり、ｎは、対象とする光学モードでの前記アキシャルダイオードの有効屈折率と実質的に等しい。
実施形態によれば、前記アキシャルダイオードは、電気絶縁性材料によって分離されている。
実施形態によれば、前記アレイは、少なくとも第１及び第２のダイオード組立体を有しており、第１のダイオード組立体のアキシャルダイオードは同一の第１の高さを有し、第２のダイオード組立体のアキシャルダイオードは同一の第２の高さを有し、前記第１の高さ及び前記第２の高さは異なる。
実施形態によれば、前記アキシャルダイオードの少なくとも１つに関して、前記アキシャルダイオードの第２の半導体領域はエッチング停止層によって分離された少なくとも２つの部分を有している。
実施形態によれば、前記エッチング停止層の厚さは１～200 nmの範囲内である。
実施形態によれば、前記アレイのピッチ対与えられる電磁放射線の波長の比率は、略0.4 ～略0.92の範囲内である。
実施形態によれば、前記アキシャルダイオードは発光ダイオード又はフォトダイオードである。
別の実施形態は、アキシャルダイオードのアレイを備えた光電子デバイスを製造する方法であって、各アキシャルダイオードは、定常電磁波が形成される共振空胴を形成し、各アキシャルダイオードのアクティブ領域を、実質的に電磁波の極値のレベルに配置し、前記アレイのピッチを、前記アレイのアキシャルダイオードによって与えられる電磁放射線の強度を最大化するように設定することを特徴とする方法を提供する。
実施形態によれば、前記アレイのアキシャルダイオードを形成する際に、
第１の領域を、前記アレイのピッチ分、互いに分離するように基板上に形成し、
各第１の領域上にアクティブ領域を形成し、
各アクティブ領域上に第２の領域を形成する。
第１の領域を、前記アレイのピッチ分、互いに分離するように基板上に形成し、
各第１の領域上にアクティブ領域を形成し、
各アクティブ領域上に第２の領域を形成する。
実施形態によれば、前記方法は、全ての第２の領域の高さが同一であるように、全ての第２の領域をエッチングする第１のエッチング工程を有する。
実施形態によれば、前記方法は、前記アクティブ領域が電磁波の極値のレベルに配置されることを可能にする高さを全ての第１の領域が有するように、全ての第１の領域をエッチングする第２のエッチング工程を有する。
実施形態によれば、前記アクティブ領域を形成する前に前記第２のエッチング工程を行う。
実施形態によれば、前記基板を除去する工程の後、前記第２のエッチング工程を、前記基板に最も近かったアキシャルダイオードの端部から行う。
実施形態によれば、前記第２のエッチング工程の停止層として使用され得る少なくとも１つの層を、前記アキシャルダイオードの少なくとも１つの第１の領域に形成する。
実施形態によれば、前記アキシャルダイオードは発光ダイオード又はフォトダイオードである。
前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない特定の実施形態について以下に詳細に説明する。
同一の要素は様々な図面において同一の参照番号で示されており、更に様々な図面は正しい縮尺で示されていない。明瞭化のために、記載された実施形態の理解に有用な工程及び要素のみが示され詳述されている。特に、対象とする光電子デバイスは、詳述されない他の部品を任意に備えている。
以下の記載では、「前」、「後ろ」、「最上部」、「底部」、「左」、「右」などの絶対位置、若しくは「上方」、「下方」、「上側」、「下側」などの相対位置を限定する用語、又は「水平方向」、「垂直方向」などの方向を限定する用語を参照するとき、この用語は図面における該当する要素の向きを指す。「略」、「約」、「実質的に」及び「程度」という用語は、該当する値のプラスマイナス10％、好ましくはプラスマイナス５％の許容値を示すために本明細書に使用されている。
「透明な」要素又は「反射する」要素について言及する場合、デバイスが動作するように構成されている波長、例えば対象とする発光ダイオードによって放射される電磁放射線の波長に関して透明な要素又は反射する要素を対象とする。
更に、発光ダイオードの「アクティブ領域」という用語は、発光ダイオードによる電磁放射線の大部分を放射する発光ダイオードの領域を表す。
アキシャル発光ダイオードという用語は、小寸法と称される少なくとも２つの寸法が５nm～2.5 μｍの範囲内であり、好ましくは50nm～2.5 μｍの範囲内である主方向に沿って細長い形状、例えば円筒状の三次元構造を表す。大寸法と称される第３の寸法は、小寸法の内の最大値以上であり、好ましくは最大値の５倍以上であり、より好ましくは最大値の10倍以上である。ある実施形態では、小寸法は、略１μｍ以下であってもよく、好ましくは100 nm～１μｍの範囲内であってもよく、更に好ましくは100 nm～800 nmの範囲内であってもよい。ある実施形態では、夫々の発光ダイオードの高さは500 nm以上であってもよく、好ましくは１μｍ～50μｍの範囲内であってもよい。
図１は、アキシャル発光ダイオード100 の実施形態の斜視図である。
発光ダイオード100 は、領域102 、アクティブ領域104 及び領域106 の積層体を有している。領域102 の上面がアクティブ領域104 の下面と接している。アクティブ領域104 の上面が領域106 の下面と接している。
アクティブ領域104 が領域102 と一列に並んでおり、領域106 がアクティブ領域104 と一列に並んでいるので、発光ダイオード100 はアキシャルと称される。軸芯△がアキシャル発光ダイオードの軸芯に相当する。
領域102 は、第１の導電型、例えばＰ型にドープされた半導体材料で形成されている。領域102 は支持体105 に載置され、例えば領域102 と接する相互接続部を有して発光ダイオード100 を制御することができる電子回路、例えばインターポーザに載置されている。そのため、軸芯△は支持体105 の上面に直交する。領域102 の下面109 、すなわち支持体105 側の表面は反射層と接している。例えば、下面109 は、金属、例えばアルミニウムで形成された層107 によって支持体105 から分離されてもよい。例えば、金属層107 は支持体105 を完全に又は部分的に覆ってもよい。
領域106 は、第１の導電型とは異なる第２の導電型、例えばＮ型の半導体材料で形成されている。領域106 の上面111 は、例えば不図示の一又は複数の透明材料又は半反射材料の層（又は層の積層体）で覆われてもよく、例えば透明導電性酸化物(TCO) の層で覆われてもよい。
領域102 及び領域106 は、III-V 族化合物、例えばIII-N 化合物を主に含む半導体材料から少なくとも部分的に形成されてもよい。III 族元素の例として、ガリウム(Ga)、インジウム(In)又はアルミニウム(Al)が挙げられる。III-N 化合物の例として、GaN 、AlN 、InN 、InGaN 、AlGaN 又はAlInGaN が挙げられる。他のV 族元素、例えばリン(P) 又はヒ素(As)を更に使用してもよい。一般に、III-V 族化合物内の元素は異なるモル分率で組み合わせられてもよい。
領域102 及び領域106 は、II-VI 族化合物を主に含む半導体材料から少なくとも部分的に形成されてもよい。II族元素の例として、IIA 族元素、特にベリリウム(Be)及びマグネシウム(Mg)、並びにIIB 族元素、特に亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)及び水銀(Hg)が挙げられる。VI族元素の例として、VIA 族元素、特に酸素(O) 及びテルル(Te)が挙げられる。II-VI 族化合物の例として、ZnO 、ZnMgO 、CdZnO 、CdZnMgO 、CdHgTe、CdTe又はHgTeが挙げられる。一般に、II-VI 族化合物内の元素は異なるモル分率で組み合わせられてもよい。
領域102 及び領域106 は、少なくとも１つのIV族化合物を主に含む半導体材料から少なくとも部分的に形成されてもよい。IV族半導体材料の例として、シリコン(Si)、炭素(C) 、ゲルマニウム(Ge)、炭化シリコン合金(SiC) 、シリコン・ゲルマニウム合金(SiGe)又はゲルマニウム炭化物合金(GeC) が挙げられる。
領域102 及び領域106 はドーパントを含んでもよい。例として、III-V 族化合物に関して、ドーパントは、例えばマグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)若しくは水銀(Hg)であるＰ型II族ドーパント、例えば炭素(C) であるＰ型IV族ドーパント、又は例えばシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、硫黄(S) 、テルビウム(Tb)若しくはスズ(Sn)であるＮ型IV族ドーパントを含む群から選択されてもよい。
領域102 はＰ型にドープされたGaN 領域であり、領域106 はＮ型にドープされたGaN 領域であることが好ましい。
発光ダイオード毎に、アクティブ領域104 は閉込め手段を有してもよい。例として、アクティブ領域104 は単一量子井戸を有してもよい。そのため、アクティブ領域は、領域102 及び領域106 を形成する半導体材料とは異なり、領域102 及び領域106 を形成する材料のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する半導体材料を含んでいる。アクティブ領域104 は多重量子井戸を有してもよい。そのため、アクティブ領域は、量子井戸及び障壁層が交互に形成された半導体層の積層体を有している。
図１では、示された発光ダイオード100 は軸芯△の円形の基部を有する円筒体の形状を有する。しかしながら、発光ダイオード100 は、多角形、例えば正方形、矩形又は六角形の基部を有する、軸芯△の円筒体の形状を有してもよい。発光ダイオード100 は六角形の基部を有する円筒体の形状を有することが好ましい。
発光ダイオード100 の高さｈ、すなわち領域102 の下面109 と領域106 の上面111 との間の距離は実質的にｋ×λ／２×neffに比例する。λは発光ダイオードによって放射される放射線の波長であり、neffは対象とする光学モードにおける発光ダイオードの有効屈折率であり、ｋは正の整数である。有効屈折率は、例えばJoachim Piprekによる研究「Semiconductor Optoelectronic Devices: Introduction to Physics and Simulation」に定められている。
高さｈは、領域102 の高さP1、アクティブ領域104 の高さP2、領域106 の高さP3、及び表面111 を覆ってもよい任意の層の高さの合計と等しい。
発光ダイオード100 は、軸芯△に沿って共振空胴を形成する。従って、軸芯△に沿った定常電磁波が動作中の発光ダイオードに生じ、曲線108 によって図１に非常に概略的に示されている。この波は発光ダイオード100 の対称軸芯をたどる。従って、発光ダイオードの断面が円形である場合、この波は例えば回転対称性を有する。軸芯△に沿った定常電磁波は、ノード、すなわちゼロ強度のポイントが空間に固定されて他のポイントの強度が時間の経過と共に変化してもよい電磁波を意味する。
実施形態によれば、アクティブ領域104 は、有利には電磁波の極値110 のレベルに設けられている。そのため、発光ダイオードによって放射される放射線のパワー強度はより大きく、発光ダイオードから出る放射線は、アクティブ領域が電磁波の極値に設けられない同一の構造の発光ダイオードの場合より強力である。
図２は、発光ダイオード100 のアレイ200 の実施形態を示す斜視図である。
アレイ200 は、充填材料、例えば電気絶縁性材料、例えば酸化シリコンの層202 に配置された発光ダイオード100 を有している。図２の実施形態では、発光ダイオード100 の高さは全て同一である。層202 の上面が各発光ダイオードの上面、すなわち各領域106 の上面111 と同一平面であるように、層202 の厚さは、例えば発光ダイオードの高さと等しいように選択されている。
不図示の電極層が、発光ダイオードの上面と接している。電極層は層202 を覆う導電層であってもよい。電極層は透明層であってもよく、又は半反射層であってもよい。
アレイの上面は、発光ダイオードと反対側の電極層の表面に相当する。
１２個の発光ダイオード100 が図２に示されている。実際には、アレイ200 は、例えば７～100,000 個の発光ダイオードを有してもよい。
アレイ200 の発光ダイオード100 は行及び列に配置されている（図２には例として３行及び４列が示されている）。アレイのピッチは、同一の行又は隣り合う行の発光ダイオード100 の軸芯と接近している発光ダイオード100 の軸芯との間の距離である。ピッチａは実質的に一定である。より具体的には、アレイ200 がフォトニック結晶を形成するように、アレイのピッチは選択されている。形成されたフォトニック結晶は、例えば2Dフォトニック結晶である。
アレイの全ての発光ダイオード100 によって放射される放射線の強度がより大きく、放射線が、フォトニック結晶を形成しない発光ダイオード100 の集合体の場合より高い指向性を有するように、アレイ200 によって形成されるフォトニック結晶の特性が選択されていることが有利である。
図２の例では、有効屈折率neffは、発光ダイオード100 と層202 との表面積比FFによって重みが加えられる、発光ダイオード100 のGaN の屈折率及び層202 の材料の屈折率の平均と実質的に等しい。従って、有効屈折率neffは、例えば実質的にFF×nGaN＋（１－FF）×nSiO2 と等しい。尚、nGaNは発光ダイオード100 のGaN の屈折率であり、nSiO2 は層202 の材料の屈折率であり、FFは、発光ダイオード100 の水平断面の面積対アレイ200 の周期的要素の水平断面の面積の比率と等しい。例えば、アレイ200 の周期的要素は、発光ダイオード100 を中心とする正方形の水平断面と、２つの隣り合う発光ダイオードの軸芯△間の距離に等しい辺の長さとを有する。
図３Ａ及び図３Ｂは、アレイ200 の発光ダイオード100 の配置例を概略的に示す。特に、図３Ａはいわゆる正方形のメッシュの配置を示し、図３Ｂはいわゆる六角形のメッシュの配置を示す。
図３Ａ及び図３Ｂは、アレイのピッチａ、すなわち同一の行又は隣り合う行の発光ダイオードの軸芯と最も近い発光ダイオードの軸芯との間の距離を更に示す。図３Ａ及び図３Ｂは、円形の基部を有する発光ダイオード100 の半径Ｒを更に示す。発光ダイオードが円形の基部を有さない場合、半径Ｒは、基部が内接する円の半径に相当する。
図３Ａは、３行の４つの発光ダイオード100 を示す。このような配置では、発光ダイオード100 は行及び列の各交差部分に配置されており、行は列に垂直である。
図３Ｂは、図３Ａのように、３行の４つの発光ダイオード100 を示す。このような配置では、行内の発光ダイオードは、前の行及び次の行内の発光ダイオードに対してピッチａの半分偏移している。
図４Ａ～図４Ｆは、図２のアレイ200 を製造する方法の実施形態の工程で得られた構造を示す断面図である。
図４Ａは、以下に述べる形成工程の後に得られた構造を示す。
シード層302 を基板304 上に形成する。その後、シード層302 から発光ダイオード100 を形成する。より具体的には、領域106 がシード層302 と接するように、発光ダイオード100 を形成する。各発光ダイオード100 のアクティブ領域104 を領域106 上に配置し、領域102 をアクティブ領域104 上に配置する。
更に、アレイ200 を形成すべく、すなわちアレイ200 の所望のピッチで行及び列を形成すべく、発光ダイオード100 を配置する。１つの行のみが図４Ａ～図４Ｆに示されている。
発光ダイオードが配置される位置でシード層302 の一部のみを露出させるために、発光ダイオードをシード層302 上に形成する前に不図示のマスクを形成してもよい。変形例として、シード層をエッチングして、発光ダイオードが配置される位置にパッドを形成してもよい。
発光ダイオード100 を成長させる方法は、化学蒸着法(CVD) 、又は有機金属気相エピタキシ(MOVPE) としても公知の有機金属化学蒸着法(MOCVD) のような方法であってもよい。しかしながら、分子線エピタキシ(MBE) 、ガスソースMBE (GSMBE) 、有機金属MBE (MOMBE) 、プラズマ支援MBE (PAMBE) 、原子層エピタキシ(ALE) 又はハイドライド気相エピタキシ(HVPE)のような方法を使用してもよい。しかしながら、電気化学的な方法が使用されてもよく、例えば化学浴析出法(CBD) 、水熱法、液状のエアゾール熱分解法又は電着法が使用されてもよい。
発光ダイオード100 を成長させる条件は、アレイ200 の全ての発光ダイオードが実質的に同一の速度で生ずるような条件である。従って、領域102 及び領域106 の高さ並びにアクティブ領域104 の高さは、アレイ200 の全ての発光ダイオードで実質的に同一である。
領域102 及びアクティブ領域104 の高さが、動作中、アクティブ領域104 が電磁波の極値に配置されるように決定された前述の値P1及び値P2に実質的に相当することが更に考えられる。領域106 の高さは所望の値P3より大きい。特に領域106 をシード層302 から成長させ始めるため、領域106 の高さを正確に制御することが難しい場合がある。更に、半導体をシード層上に直接形成することにより、シード層の真上の半導体材料に結晶欠陥を引き起こす場合がある。従って、領域106 の一部を除去することが望ましい場合がある。
図４Ｂは、層202 の材料に相当する充填材料、例えば電気絶縁性材料、例えば酸化シリコンの層306 を形成した後に得られた構造を示す。例えば構造に充填材料の層を堆積させることにより、層306 を形成し、層の厚さは発光ダイオード100 の高さより大きい。その後、図１に関連して記載された表面109 に夫々相当する領域102 の上面を露出させるために、充填材料の層を部分的に除去して平坦化する。従って、層306 の上面が各領域102 の上面と実質的に同一平面である。変形例として、本方法は、領域102 を部分的にエッチングするエッチング工程を有してもよい。
アレイ200 によって形成されたフォトニック結晶が所望の特性を有するように、すなわち発光ダイオード100 によって放射される放射線の指向性及び強度を高めるように、充填材料は選択されている。
図４Ｃは、前の工程で得られた構造に層308 を堆積させた後に得られた構造を示す。層308 は反射層、例えば金属層、例えばアルミニウム層である。層308 は、アレイ200 の全ての領域102 を互いに接続する導電層でもある。従って、アレイ200 の発光ダイオード100 は層308 を介して制御され得る。
図４Ｄは、例えば金属間接合、熱圧着又は支持体310 の側で共晶を使用する半田付けによって、層306 と接しない層308 の表面を支持体310 に接合した後に得られた構造を示す。支持体310 は、例えば層308 と接する不図示の相互接続部を有する電子回路、例えばインターポーザである。
図４Ｅは、基板304 及びシード層302 を除去した後に得られた構造を示す。更に、各領域106 の高さが、アクティブ領域を前述したように配置することができる値P3を有するように、層306 及び領域106 はエッチングされている。この工程により、発光ダイオードの高さｈを正確に制御して、結晶欠陥を有する場合がある領域106 の一部を除去することが可能になることが有利である。
図４Ｆは、前の工程で得られた構造に層312 を堆積させた後に得られた構造を示す。層312 は、放射線の放射を可能にすべく透明又は半反射であり、発光ダイオード100 を制御すべく導電性である。層312 は、例えば透明導電性酸化物、例えば酸化亜鉛若しくは酸化インジウムスズで形成されてもよく、又は積層体の材料の厚さ及び屈折率に応じて積層体の反射率を調節可能とすべく酸化物層の積層体であってもよい。
図５Ａ～図５Ｄは、図２のアレイ200 を製造する方法の実施形態の他の工程で得られた構造を示す断面図である。より具体的には、図５Ａ～図５Ｄは領域106 の形成を少なくとも部分的に示す。
図５Ａは、基板304 を覆うシード層302 上に領域106 を形成した後に得られた構造を示す。
本実施形態は、例えば発光ダイオード100 の成長条件が、異なる高さを有する領域106 を得るような条件の場合に適合されている。
図５Ｂは、領域106 上に充填材料、例えば酸化シリコンの層402 を形成した後に得られた構造を示す。層402 を形成する際、例えば、層302 上に配置された領域106 の高さより大きな厚さを有する充填材料の層を堆積させる。
図５Ｃは、全ての領域106 の上面及び層402 の上面が同一平面であるように領域106 及び層402 をエッチングした後に得られた構造を示す。そのため、全ての領域106 の高さは同一である。
図５Ｄは、層402 を除去した後に得られた構造を示す。
その後、発光ダイオード100 の成長を再開して、例えば図４Ａに関連して記載された構造を得ることができる。その際、発光ダイオード100 は実質的に同一の速度で成長する。図５Ｄの工程の後、例えば領域106 の残り部分を成長させてアクティブ領域104 及び領域102 を成長させる工程が続く。変形例として、図５Ｄの工程の後、アクティブ領域104 及び領域102 を成長させる工程が直接続いてもよい。この場合、図５Ｄの領域106 の高さは、図４Ａの領域106 の高さに既に相当する。このようにして、アレイの発光ダイオードが何であれ、領域106 、領域102 及びアクティブ領域104 は実質的に同一の高さを有する。その後、図４Ａ～図４Ｆに関連して記載された方法を再開することができる。
図６は、図２のアレイを製造する方法の別の実施形態の工程で得られた構造を示す断面図である。この工程を、例えば図５Ｄに示された工程の後に行う。
この工程中、例えば図５Ａ～図５Ｄに関連して記載された方法中に既に形成されて平坦化された領域106 の一部106a上にエッチング停止層502 を形成する。例として、エッチング停止層502 を形成する材料は、元素の周期表のIV列、V 列又はVI列の遷移金属の窒化物、炭化物、金属又はホウ化物、或いはこれらの化合物の組合せであってもよい。例として、エッチング停止層502 は、窒化アルミニウム(AlN) 、酸化アルミニウム(Al2O3) 、ホウ素(B) 、窒化ホウ素(BN)、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN) 、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN) 、ハフニウム(Hf)、窒化ハフニウム(HfN) 、ニオブ(Nb)、窒化ニオブ(NbN) 、ジルコニウム(Zr)、ホウ化ジルコニウム(ZrB2)、窒化ジルコニウム(ZrN) 、炭化シリコン(SiC) 、炭窒化タンタル(TaCN)、又はMgxNy の形態の窒化マグネシウム（ここでｘは略３であり、ｙは略２であり、例えばMg3N2の形態の窒化マグネシウム）で形成されてもよい。エッチング停止層502 の厚さは、例えば略１～100 nmの範囲内である。
その後、エッチング停止層502 上に領域106 の一部106bを形成する。その後、領域106 上にアクティブ領域104 及び領域102 を形成する。
一部106bの高さは、実質的に所望の高さP3に相当する。一部106aの高さは、結晶欠陥の大部分を含める程十分大きい。
図６の工程の後、図４Ｂ～図４Ｆに関連して記載された工程が続いてもよく、図４Ｅを用いて前述された工程のエッチングをエッチング停止層502 で停止し、例えばエッチング停止層502 を除去してもよい。
図７Ａ及び図７Ｂは、図２のアレイを製造する方法の別の実施形態の工程で得られた構造を示す断面図である。より具体的には、図７Ａ及び図７Ｂは、高さが異なる発光ダイオードを有するアレイの製造を示す。
図７Ａは、発光ダイオード100 の成長に対応する図４Ａの工程と等しい工程を示し、この工程中に複数のエッチング停止層を各領域106 に形成する点が異なる。図７Ａでは、３つのエッチング停止層602a, 602b, 602cが各領域106 に形成されており、エッチング停止層602aがシード層302 に最も近く、エッチング停止層602cがアクティブ領域104 に最も近い。エッチング停止層は例えば同一の材料で形成されており、領域106 の一部によって互いに分離されている。
図７Ｂは、図７Ａの構造から、図４Ｂ、図４Ｃ及び図４Ｄに関連して前述された工程と同様の工程の後に得られた発光ダイオードのアレイを示す。
そのため、本方法は複数のエッチング工程を有する。これらのエッチング工程中、発光ダイオード100 の組立体604 に関して、各発光ダイオード100 の領域106 を自由端部からエッチング停止層602cに至るまでエッチングし、エッチング停止層602cを更にエッチングする。発光ダイオード100 の組立体606 に関して、各発光ダイオード100 の領域106 を自由端部からエッチング停止層602bに至るまでエッチングし、その後、エッチング停止層602bをエッチングして、エッチング停止層602bとエッチング停止層602cとの間にある領域106 の部分を露出させる。発光ダイオード100 の組立体608 に関して、各発光ダイオード100 の領域106 を自由端部からエッチング停止層602aに至るまでエッチングし、その後、エッチング停止層602aをエッチングして、エッチング停止層602bとエッチング停止層602aとの間にある領域106 の部分を露出させる。
異なる組立体604, 606, 608 の発光ダイオードは、例えば波長λが同一の放射線を放射し、例えばλ／2nの異なる倍数と等しい全体の高さｈを有する。変形例として、異なる組立体604, 606, 608 の発光ダイオードは異なる波長の放射線を放射して、ひいては異なる高さを有するように適合されてもよい。
エッチング停止層602a, 602b, 602cの材料及び大きさは、エッチング停止層が発光ダイオードの動作にごく僅かな影響しか与えないように選択されている。
その後、構造に層312 を堆積させる。層312 は、例えば、ある発光ダイオードの組立体の領域106 の上方部分を囲んでもよい。層312 の厚さは、各発光ダイオード100 の上面を覆うように選択されている。
反射層308 は、例えば複数の非接触部分に分割され、非接触部分は発光ダイオードの組立体と接する。従って、異なる発光ダイオードの組立体を互いに独立して制御してもよい。
一般にエッチング停止層の数は、アレイに望まれる異なる発光ダイオードの高さの数に相当する。
前述した製造方法の実施形態の利点は、発光ダイオード100 内にアクティブ領域104 を正確に位置付けることを可能にし、すなわち、高さP1、高さP2及び高さP3の値を制御することを可能にするということである。
以下の図８、図９Ａ～図９Ｅ及び図１０Ａ～図１０Ｅは、前述した実施形態に係るアレイの例に関するシミュレーション結果を示す。このようなシミュレーションは、発光ダイオードの大きさ及びアレイのピッチを決定する方法を示す。シミュレーションに関して、対象とするアレイの発光ダイオードはGaN の領域102 及び領域106 を有する。領域102 の厚さは30nm以上である。アクティブ領域104 は、厚さが40nmである１つのInGaN 層を有する。層306 は酸化シリコンで形成されており、反射材料の層308 はアルミニウムで形成されている。層312 の厚さは50nmである。層312 は、対象とする波長で屈折率が実質的に２である透明導電性酸化物、例えばITO で形成されている。対象とする発光ダイオード100 は円形の基部を有する円筒体の形状を有する。アレイの発光ダイオードは正方形のメッシュに配置されている。各行及び各列に７つの発光ダイオードが配置されている。従って、ここではアレイは４９個の発光ダイオードを有する。以下のシミュレーションでは、全ての発光ダイオードの高さが同一であるとみなされている。
正方形のメッシュの充填率に関して、５％≦πR2／a2≦65％の制約を課すように選択されている。尚、Ｒは各発光ダイオードの断面の半径であり、ａはアレイのピッチである。
図８は、第１の比率ａ／λに応じた、アレイによって放射された放射線の強度（パワー）の変化の曲線を含む図表である。尚、λはアレイによって放射される放射線の波長であり、アレイの各例、ひいては各曲線は第２の比率２πＲ／λの異なる値に対応する。
明瞭化のために、６つの曲線のみが図８に示されている。実際には、第２の比率２πＲ／λを0.7 ～1.7 に変えることによりシミュレーションを行った。
図８により、強度のピークが生じる第１の比率ａ／λの値の一又は複数の範囲を決定することが可能になる。このような値の範囲に夫々対応する２つの領域702 及び領域704 を観察することが可能である。曲線は夫々、２つの領域702 及び領域704 の内の少なくとも１つにピークを含む。
領域702 は、実質的に略0.4 ～略0.82の範囲内の第１の比率ａ／λの値の範囲に対応する。領域704 は、実質的に略0.8 ～略0.92の範囲内の第１の比率ａ／λの値の範囲に対応する。
図９Ａ～図９Ｅは、発光ダイオードのアレイの実施形態に関するシミュレーション結果を示す図表である。より具体的には、図９Ａ及び図９Ｂは、アレイの最適な特性を決定することができる領域702 に関連付けられた範囲に第１の比率ａ／λを有するアレイの場合のシミュレーション結果を示し、図９Ｃ～図９Ｅは、選択された特性の場合のシミュレーション結果を示す。
発光ダイオードによって放射される放射線の波長λは、例えば青色の光では450 nm、緑色の光では530 nm、又は赤色の光では630 nmに選択されている。領域702 に対応する範囲に最大値を有する曲線の内の１つを選択し、選択された曲線の最大値で第１の比率ａ／λの値を得ることにより、発光ダイオードの半径Ｒ及びアレイのピッチａを決定することが可能になる。
例として、630 nmの波長と全ての曲線の内で最大放射強度に対応する極値を領域702 に有する曲線706 とをここでは選択する。従って、第１の比率ａ／λは実質的に0.7111に等しく、第２の比率２πＲ／λは実質的に1.1 に等しい。従って、ピッチａは実質的に448 nmに等しく、半径Ｒは実質的に110 nmと等しい。
図９Ａは、予め選択された条件での発光ダイオードの全体の高さｈに応じた、アレイの発光ダイオードの上面によって放射された放射線の強度（最上部パワー）を示す。
190 nm、375 nm及び550 nmの高さｈで３つの強度ピークを観察することが可能である。
これらの値からｈの値を選択する。上面によって放射された放射線の強度は190 nmの高さｈでより大きいが、ここでは製造の容易さのために375 nmの高さｈを選択する。
図９Ｂは、領域102 の厚さP1に応じた、予め決定された特性を有する発光ダイオードのアレイによって放射された放射線の強度を示す。値の所与の範囲に亘って１つの最大値を観察することが可能であり、領域102 の厚さP1に関して、ここでは40nmの値を決定することが可能になる。
図９Ｃは、発光ダイオードによって放射された放射線の波長λに応じた、アレイの上面によって放射された放射線の強度を示す。曲線802 は、フォトニック結晶を形成しない発光ダイオードのアレイに対応し、曲線804 は、フォトニック結晶を形成し、予め決定された特性を有するアレイに対応する。曲線802 の最大値が１の値に相当するように、値が正規化されている。
予め決定された特性を有する実施形態に係る発光ダイオードのアレイが、フォトニック結晶を形成しないアレイによって放射される放射線の強度より1.5 倍大きい強度を上面のレベルに有する放射線を放射することが観察され得る。
図９Ｄは、放射された放射線とアレイの上面に直交する方向との間の角度に応じた、前述したアレイによって放射された放射線の強度を示す。アレイによって放射される放射線は指向性を有することが有利である。
図９Ｅは、アレイの上面に関して測定された立体角に応じた、蓄積されるようにアレイによって放射された放射線の強度を示す。図９Ｅは、共振空胴を形成しないアキシャル発光ダイオードのアレイに対応する曲線806 と、共振空胴を形成して予め決定された特性を有するアキシャル発光ダイオードで形成されたフォトニック結晶に対応する曲線808 とを含む。
実施形態に係るアレイ（曲線808 ）は指向性がより高い強度を与えることが観察され得る。実際、曲線808 に対応するアレイは30°の立体角でアレイの強度の50％を与える一方、曲線806 に対応するアレイは45°の立体角でアレイの強度の50％を与える。
従って、予め決定された特性を有する図２の実施形態に係るアレイは、曲線806 に対応する発光ダイオードのアレイによって与えられる放射線より、強度がより大きく指向性がより高い放射線を与える。
図１０Ａ～図１０Ｅは、発光ダイオードのアレイの別の実施形態に関するシミュレーション結果を示す図表である。より具体的には、図１０Ａ及び図１０Ｂは、アレイの最適な特性を決定することができる領域704 に関連付けられた範囲に第１の比率ａ／λを有するアレイの場合のシミュレーション結果を示し、図１０Ｃ～図１０Ｅは、選択された特性に関するシミュレーション結果を示す。
ここでは前述したように630 nmの波長を選択し、与えられた曲線の内、最大放射強度に対応する極値を有する図８の曲線708 を選択している。極値に対応する比率ａ／λが実質的に0.85に等しく、曲線の比率２πＲ／λは実質的に1.49に等しい。従って、決定されたピッチａは536.7 nmであり、決定された半径Ｒは150 nmである。
図１０Ａは、予め決定された条件での発光ダイオードの全体の高さｈに応じた、発光ダイオードの上面によって放射された放射線の強度（最上部パワー）を示す。
180 nm及び325 nmに実質的に等しい高さｈで２つの強度ピークを観察することが可能である。
これらの値からｈの値を選択する。ここでは、最大強度に対応する325 nmの高さｈを選択する。
図１０Ｂは、領域102 の厚さP1に応じた、予め決定された特性を有する発光ダイオードのアレイによって放射された放射線の強度を示す。
領域102 の厚さP1に関して、ここでは40nmの値を決定することが可能になる１つの最大値を値の所与の範囲に亘って観察することが可能である。
図１０Ｃは、発光ダイオードによって放射された放射線の波長λに応じた、アレイの上面によって放射された放射線の強度を示す。曲線902 は、フォトニック結晶を形成しない発光ダイオードのアレイに対応し、曲線904 は、フォトニック結晶を形成し、予め決定された特性を有するアレイに対応する。曲線902 の最大値が１の値になるように、値が正規化されている。
予め決定された特性を有する実施形態に係る発光ダイオードのアレイが、フォトニック結晶を形成しないアレイより1.6 倍大きい強度を上面のレベルに有する放射線を放射することが観察され得る。
図１０Ｄは、放射された放射線とアレイの上面に直交する方向との間の角度に応じた、前述したアレイによって放射された放射線の強度を示す。放射線が図９Ａ～図９Ｅに関連して記載された場合より高い指向性を有することが観察され得る。
図１０Ｅは、アレイの上面に関して測定された立体角に応じた、蓄積されるようにアレイによって放射された放射線の強度を示す。図１０Ｅは、共振空胴を形成しないアキシャル発光ダイオードを有するアレイに対応する曲線906 と、共振空胴を形成して予め決定された特性を有するアキシャル発光ダイオードを有するフォトニック結晶に対応する曲線908 とを含む。
実施形態に係るアレイ（曲線908 ）は指向性がより高い強度を与えることが観察され得る。実際、曲線908 に対応するアレイは33°の立体角でアレイの強度の50％を与える一方、曲線906 に対応するアレイは45°の立体角でアレイの強度の50％を与える。
従って、予め決定された特性を有する図２の実施形態に係るアレイは、曲線906 に対応する発光ダイオードのアレイによって与えられる放射線より、強度がより大きく指向性がより高い放射線を与える。
本発明者らは、異なる特性を有する図１及び図２に関連して記載されているような発光ダイオードのアレイに関して、特に断面形状が異なる発光ダイオードに関して、単一量子井戸ではなく多重量子井戸を含むアクティブ領域を有する発光ダイオードに関して、正方形のメッシュ配置ではなく六角形のメッシュ配置の発光ダイオードに関して、又は異なる材料に関して同様のシミュレーションを行った。その後、シミュレーション結果により、前述したような発光ダイオード及びアレイの特性の値を決定することが可能になり、発光ダイオードのアレイによって放射された放射線の強度及び指向性を高めることが示された。
特定の実施形態が記載されている。当業者にとっては様々な変更及び調整が想起される。特に、発光ダイオードの場合のみが本明細書に記載されているが、本実施形態は更にフォトダイオードに適用されてもよい。
異なる変形例を有する様々な実施形態が上記に述べられている。当業者は、いかなる進歩性も示すことなくこれらの様々な実施形態及び変形例の様々な要素を組み合わせてもよいことを注目すべきである。
本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれている仏国特許出願第18／55450 号明細書の優先権を主張している。
Claims (20)
- アキシャルダイオードのアレイを備えており、
各アキシャルダイオードは、定常電磁波が形成される共振空胴を形成し、実質的に電磁波の極値のレベルに配置されたアクティブ領域を有し、
前記アレイは、前記アレイのアキシャルダイオードによって与えられる電磁放射線の強度を最大化するように構成されたフォトニック結晶を形成していることを特徴とする光電子デバイス。 - 前記アレイは、前記アキシャルダイオードが載置されている支持体を有し、
各アキシャルダイオードは、前記支持体に載置された第１の半導体領域、前記第１の半導体領域と接する前記アクティブ領域、及び前記アクティブ領域と接する第２の半導体領域の積層体を有していることを特徴とする請求項１に記載の光電子デバイス。 - 前記支持体と前記アキシャルダイオードの第１の半導体領域との間に反射層を更に備えていることを特徴とする請求項２に記載の光電子デバイス。
- 前記反射層は金属で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光電子デバイス。
- 前記アキシャルダイオードの第２の半導体領域は、前記アキシャルダイオードによって放射される放射線を少なくとも部分的に通す導電層で覆われていることを特徴とする請求項３又は４に記載の光電子デバイス。
- 前記アキシャルダイオードの少なくとも１つの高さは実質的にｋλ／２ｎに比例し、
λは前記アキシャルダイオードによって放射される放射線の波長であり、ｋは正の整数であり、ｎは、対象とする光学モードでの前記アキシャルダイオードの有効屈折率と実質的に等しいことを特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載の光電子デバイス。 - 前記アキシャルダイオードは、電気絶縁性材料によって分離されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
- 前記アレイは、少なくとも第１及び第２のダイオード組立体を有しており、
第１のダイオード組立体のアキシャルダイオードは同一の第１の高さを有し、第２のダイオード組立体のアキシャルダイオードは同一の第２の高さを有し、前記第１の高さ及び前記第２の高さは異なることを特徴とする請求項１～７のいずれか１つに記載の光電子デバイス。 - 前記アキシャルダイオードの少なくとも１つに関して、前記アキシャルダイオードの第２の半導体領域はエッチング停止層によって分離された少なくとも２つの部分を有していることを特徴とする請求項２に記載の光電子デバイス。
- 前記エッチング停止層の厚さは１～200 nmの範囲内であることを特徴とする請求項９に記載の光電子デバイス。
- 前記アレイのピッチ対与えられる電磁放射線の波長の比率は、略0.4 ～略0.92の範囲内であることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
- 前記アキシャルダイオードは発光ダイオード又はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
- アキシャルダイオードのアレイを備えた光電子デバイスを製造する方法であって、
各アキシャルダイオードは、定常電磁波が形成される共振空胴を形成し、
各アキシャルダイオードのアクティブ領域を、実質的に電磁波の極値のレベルに配置し、
前記アレイは、前記アレイのアキシャルダイオードによって与えられる電磁放射線の強度を最大化するように構成されたフォトニック結晶を形成することを特徴とする方法。 - 前記アレイのアキシャルダイオードを形成する際に、
第１の半導体領域を、前記アレイのピッチ分、互いに分離するように基板上に形成し、
各第１の半導体領域上にアクティブ領域を形成し、
各アクティブ領域上に第２の半導体領域を形成することを特徴とする請求項１３に記載の方法。 - 全ての第２の半導体領域の高さが同一であるように、全ての第２の半導体領域をエッチングする第１のエッチング工程を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記アクティブ領域が電磁波の極値のレベルに配置されることを可能にする高さを全ての第１の半導体領域が有するように、全ての第１の半導体領域をエッチングする第２のエッチング工程を有することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の方法。
- 前記アクティブ領域を形成する前に前記第２のエッチング工程を行うことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記基板を除去する工程の後、前記第２のエッチング工程を、前記基板に最も近かったアキシャルダイオードの端部から行うことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記第２のエッチング工程の停止層として使用され得る少なくとも１つの層を、前記アキシャルダイオードの少なくとも１つの第１の半導体領域に形成することを特徴とする請求項１６～１８のいずれか１つに記載の方法。
- 前記アキシャルダイオードは発光ダイオード又はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１３～１９のいずれか１つに記載の方法。
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