JP5237286B2 - フォトニック結晶により定められたアレイ状エミッタを含む発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）を含む半導体発光デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞型レーザ・ダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及びエッジ発光型レーザを含む半導体発光デバイスは、現在入手可能な最も効率の良い光源の部類に入る。可視スペクトルの全域で動作可能な高輝度発光デバイスを製造する上で、現在興味のある材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金を含む。通常、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術を用いて、適切な基板上に、異なる組成とドーパント濃度をもった半導体層の積層体（スタック）をエピタキシャルに成長させることによって製造される。その積層体は、基板上に形成された、例えばＳｉでドープされた１つ又はそれ以上のｎ型層と、そのｎ型層の上に形成された発光又は活性領域と、活性領域の上に形成された、例えばＭｇでドープされた１つ又はそれ以上のｐ型層とを含むことが多い。

ＬＥＤの品質は、例えば、発光デバイスの単位面積当たりの指定方向に放出されるパワーである放射輝度と、デバイスから抽出されたフォトンと発光領域において生成されたフォトンの比率である抽出効率とによって特徴付けられる。抽出効率は、とりわけ、デバイスのｐ−型発光領域及びｎ−型発光領域を形成する高屈折率の半導体結晶の壁において、多数の内部全反射を受ける放出フォトンによって制限される。その結果、多くの放出フォトンが自由空間内に逃げないので、一般的には３０％未満の低い抽出効率をもたらす。

Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他に付与された「Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ａ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」という名称の特許文献１は、抽出効率を高めるためのフォトニック結晶の使用を説明する。フォトニック結晶は、発光ダイオードの半導体層を通る孔の格子を形成することによって生成される。孔の格子は、周期的に変調される誘電定数を有する媒体を生成し、光がその媒体を通って伝播する仕方に影響を及ぼす。適切な格子間隔が選択された場合、そうでない場合には内部全反射によって構造体内に捕捉される光が、今や逃げることができ、ＬＥＤの抽出効率が増す。効果的なフォトニック結晶の設計が、当技術分野において必要とされる。

米国特許第５，９５５，７４９号 米国特許公開第２００３／０１４１５０７号 米国特許第６，２７４，９２４号

Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ及びＭ．Ｇｅｏｒｇｅ Ｃｒａｆｏｒｄ著、「Ｈｉｇｈ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ」、Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｐｒｅｓｓ発行、１９９７年

本発明の実施形態によると、発光デバイスが、ｎ−型領域とｐ−型領域との間に配置された発光領域を有する半導体構造体を含む。フォトニック結晶を形成する半導体構造体内の複数の孔が、発光領域の第１の部分に対応する半導体構造体内の第１の領域内に形成される。発光領域の第２の部分に対応する半導体構造体の第２の領域は、フォトニック結晶を含まず、第１の領域によって囲まれ得る。デバイスは、順方向にバイアスがかけられたとき、第２の領域内に電流が注入され、第１の領域には実質的には電流がないように構成される。従って、フォトニック結晶によって妨げられない第２の領域においてのみ、光が生成される。光を生成する発光領域の区域をフォトニック結晶から分離することにより、ｐ−ｎ接合部を通してフォトニック結晶をエッチングすることに起因する表面再結合を回避することができる。光学モード体積を低減させるために、ｎ−型領域及びｐ−型領域を薄く保持することができる。反射性コンタクトによって半導体構造体を支持し、光を一方の側に向けることができる。

フォトニック結晶を含むＩＩＩ族窒化物デバイスを示す。 本発明の実施形態によるフォトニック結晶発光デバイスの部分の断面図である。 図２に示されるデバイスの部分の平面図である。 フォトニック結晶を形成し、ｐ−型領域を打ち込むためのマスクを有するデバイスの部分の断面図である。 フォトニック結晶をエッチングし、マスクを剥離した後の図４のデバイスの断面図である。 コンタクト材料を堆積した後の図５のデバイスの断面図である。 ホストに接合し、成長基板を除去した後の図６のデバイスの断面図である。 エピタキシャル構造体を薄層化し、第２のコンタクトを形成した後の図７のデバイスの断面図である。 本発明の実施形態による、フリップ・チップ実装されたフォトニック結晶発光デバイスの部分の断面図である。 本発明の代替的な実施形態による、フリップ・チップ実装されたフォトニック結晶発光デバイスの部分の断面図である。 成長基板が除去されたマウント上にフリップ・チップ実装されたデバイスの部分の断面図である。 フォトニック結晶構造体をエッチングした後の図１のデバイスの断面図である。 ｐ−型領域を打ち込み、非導電性領域を形成した後の図１２のデバイスの断面図である。 パッケージ型発光デバイスの展開図である。 本発明の実施形態による、ｎ−コンタクトの例の平面図である。 本発明の実施形態による、ｎ−コンタクトの例の平面図である。 発光領域と半導体構造体の下部に配置された反射層の間の距離の関数としての抽出効率のプロットである。 幾つかの半導体構造体の厚さに関するフォトニック結晶の格子定数の関数としての抽出効率のプロットである。 フォトニック結晶の格子定数の関数としての抽出効率のプロットである。 ２つの準結晶構造のフォトニック結晶の平面図である。 ２つの準結晶構造のフォトニック結晶の平面図である。 フォトニック結晶及び横方向の酸化に適した半導体層を有するデバイスの部分の断面図である。 エピタキシャル構造体内の層の１つを酸化した後の図２１のデバイスの部分の断面図である。 マスクを除去し、構造体をホスト基板に接合した後の図２２のデバイスの断面図である。

図１は、２００２年１月２８日に出願され、引用によりここに組み入れられる「ＬＥＤ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｕｓｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」という名称の特許文献２により詳細に記載されるＩＩＩ族窒化フォトニック結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）１００を示す。

図１のＰＸＬＥＤ１００において、ｎ−型領域１０８が、例えばサファイア、ＳｉＣ、又はＧａＮとすることができる成長基板１０２の上に形成され、活性領域１１２が、ｎ−型領域１０８の上に形成され、ｐ−型領域１１６が、活性領域１１２の上に形成される。領域１０８、１１２及び１１６の各々は、同じ又は異なる組成、厚さ、又はドーパント濃度の単一の層又は多数の層とすることができる。ｐ−型領域１１６及び活性領域１１２の一部分をエッチングにより除去してｎ−型領域１０８の一部分を露出させ、次に、ｐ−型領域１１６上にｐ−コンタクト１２０を形成し、ｎ−型領域１０８の露出部分の上にｎ−コンタクト１０４を形成する。図１に示されるように、デバイスを反転し、コンタクト１０４及び１２０を通してマウント（図示せず）に接続する。

活性領域１１２は、ｎ−型領域１０８からの電子がｐ−型領域１１６の正孔と組み合わされて、理想的にはフォトンの形態のエネルギーを放出する接合領域を含む。活性層１１２は、フォトンの生成を最適化するように量子井戸構造を含むことができる。例えば非特許文献１によって、多くの異なる量子井戸構造が説明されている。図１のＰＸＬＥＤ１００のフォトニック結晶は、ＬＥＤ内に孔１２２−ｉの周期的構造を形成することによって生成される。

図１に示されるフォトニック結晶デバイス及び特許文献１に記載されるデバイスは、幾つかの不利な点を有し得る。例えば、図１のデバイスにおけるフォトニック結晶構造体は、ｐ−型領域内にドライエッチングを行ない周期構造を形成する孔のアレイを形成することによって形成することができる。エッチングが結晶を損傷して窒素空孔をもたらし、そのことがｎ−型ドナーをもたらし得るので、ｐ−型ＩＩＩ族窒化物材料のドライエッチングは、特に問題である。図１のｐ−型領域１１６においては、ｎ−型ドナーの存在は、正孔濃度を低下させ、結晶をひどく損傷した場合、領域１１６の導電型をｎ−型に変化させ得るので、ｐ−ｎ接合が破壊され、デバイスが動作できなくなる。また、活性領域内の量子井戸を通してエッチングすることにより、表面再結合がもたらされ、潜在的にデバイスの効率が低下される。

本発明の実施形態によると、半導体発光デバイスは、フォトニック結晶を有する１つの領域と、フォトニック結晶を有していない別の領域とを含む。フォトニック結晶を有する領域は、デバイスにおいて電気的に活性化していない。このことは、フォトニック結晶領域に図４−図８に示されるような非導電種を打ち込むことによって、フォトニック結晶領域に接触させないことによって、或いは図２１−図２３に示されるように半導体構造体内の層を横方向に酸化させることによって達成され、その結果、電流が流れ、よって、フォトニック結晶を有していない領域においてのみ光が生成される。こうした構成は、フォトニック結晶のエッチングによる半導体構造体への損傷に起因する如何なる効率損失も回避することができる。

図２は、本発明の実施形態による、フォトニック結晶を含む半導体発光デバイスの部分の断面図である。図２のデバイスは、領域２７、２９、及び３０を含むｎ−型領域とｐ−型領域２４との間に配置された発光領域２８を含むエピタキシャル構造体を含む。

ｎ−型領域２７、２９、及び３０を形成する半導体材料は、例えば、ｎ−型であってもよく、又は意図的にドープされていなくてもよい緩衝層又は核形成層などの準備層と、成長基板の剥離又は基板の除去後の半導体構造体の薄層化を容易にするように設計された剥離層と、光を効率的に放出するように発光領域に望ましい特定の光学的特性又は電気的特性のために設計されたｎ−型デバイス層とを含む、異なる組成及びドーパント濃度の多数の層を含むことができる。ｎ−型領域と同様に、ｐ−型領域２４を形成する半導体材料はまた、異なる組成、厚さ、及びドーパント濃度の多数の層を含むこともできる。

発光領域２８は、例えば、１つ又はそれ以上の厚い又は薄い発光層を含むことができる。適切な発光領域の例は、例えば５０オングストロームより厚い厚さを有する単一の発光層であり、多数の量子井戸発光領域の例は、障壁層によって分離された、各々が例えば２０オングストロームから３０オングストロームまでの間の厚さを有する多数の薄い量子井戸発光層を含む。

ｎ−コンタクト２５はｎ−型領域２９に電気的に接続され、ｐ−コンタクト２０はｐ−型領域２４に電気的に接続される。ｐ−コンタクト２０は、光損失を最小にし、光をデバイスの上側に向けるように、反射性（例えば、７５％より大きい反射性）とすることができる。ｐ−型領域２４に隣接するエピタキシャル成長された材料の部分２２は、非導電性にされる。一般にエピタキシャル材料内の周期的な孔２６のアレイであるフォトニック結晶領域は、非導電領域２２の区域内に形成される。電流は、ｎ−コンタクト２５からｎ−型領域２９内に流れ、かつ、孔２６の近くのｎ−型領域３０を通ってｎ−型領域２４に拡散する。領域２２は非導電性であるか又はほとんど導電性ではないので、電流は、ｐ−コンタクト２０からｐ−型領域２４内にのみ流れる。従って、電子及び正孔は、ｎ−型領域２７とｐ−型領域２４の間に配置された、エミッタと呼ばれる発光領域２８の部分においてのみ再結合することができる。フォトニック結晶領域は、他の場合には内部全反射される光が逃げることを可能にし、よって、エミッタにおいて放出された光の抽出を潜在的に増大させる。代替的に、フォトニック結晶領域は、半導体構造体内で横方向に伝播する光を反射させる。光はエミッタ内に閉じ込められ、そこで効率的に抽出することができる。光は、エミッタから、フォトニック結晶領域から、又はその両方から抽出することができる。

図３は、図２に断面で示されるデバイスの部分の平面図である。光は、ｎ−型領域２７（図２に示される）の下にあるエミッタにおいてのみ放出される。フォトニック結晶を形成する孔２６を有する領域において、非導電性材料は、電流が発光領域内に注入されることを防止するので、これらの区域から光は放出されない。光は、フォトニック結晶を形成する孔２６を有する領域、及び、孔が形成されないエミッタから抽出することができる。図３に示される格子は、三角格子である。三角格子から４つの孔が除外され、各々のエミッタを形成する。エミッタのサイズ、形状、及び間隔は、図３に示されるものとは異なることがあり、かつ、恣意的なものであり得る。他の実施形態においては、各エミッタについて、１つの孔又は７つの孔といったより多くの又はより少ない孔を除外することができる。エミッタは、いずれの恣意的な形状を有することもできるが、それらは、おおよそ円形又は正方形など全体的にコンパクトなものであり、０．１５μｍから３μｍまでの間、より好ましくは０．３μｍから０．９μｍまでの間、より好ましくは０．３５μｍから０．７μｍまでの間の直径又は対角線を有する。代替的に、エミッタは、コンパクトなものでなく、細長いものであってもよい。エミッタは、通常、０．３μｍから１０μｍまで、より好ましくは０．６μｍから３μｍまで、より好ましくは０．７μｍから２．５μｍまで間隔をおいて配置される。エミッタ間の距離は、エミッタが等間隔で配置されないように変えることができる。下記に述べられるように、三角格子以外の格子を用いることもできる。三角格子について図３に示されるように、これらの格子から孔が周期的に除外される、エミッタを形成する。

エミッタ間の領域内のフォトニック結晶構造体は、典型的には、最大と最小が交互する、エピタキシャル構造体の厚さの周期的変化である。一例は、孔２６の回折格子（一次元の格子）又は平面格子（二次元の格子）である。格子は、格子タイプ、孔の直径ｄ、最も近い隣接孔の中心間の距離である格子定数ａ、孔の深さｗ、及び孔内（多くの場合、空中）に配置された誘電体の誘電定数ε_hによって特徴付けられる。

従って、パラメータａ、ｄ、ｗ、ε_h、エミッタのサイズ及び形状、並びにエミッタ間の距離は、デバイスが放出する放射パターンに影響を及ぼし、デバイスからの抽出効率を向上させるように選択することができる。代替的に、適切なフォトニック結晶及びエミッタのパラメータが選択されたとき、放出される光の放射パターンを狭めて、ＬＥＤの放射輝度を増大させることができる。これは、特定の角度の光だけが有用な用途において有用である。一実施形態においては、フォトニック結晶のパラメータは、デバイスを出る放射の５０％より多くが、デバイスの表面に垂直な軸線に対して４５度の角度で定められた出口コーン内に放出されるように選択される。

図１９及び図２０に示されるように、孔２６は、三角格子、正方格子、六方格子、ハニカム格子、又は準結晶格子を含む他の２次元格子タイプを形成するように配置することができる。準結晶は、正方形１３１及び三角形１３２の反復パターンの頂点に配置された孔のパターンである。こうした反復パターンは、アルキメデス格子又はペンローズ・タイルと呼ばれることが多い。準結晶の格子定数は、反復パターンにおける三角形又は正方形の辺の長さである。幾つかの実施形態においては、デバイスの異なる領域内に、異なる格子形が形成される。孔２６は、円形、正方形、六角形、又は他の断面を有することができる。幾つかの実施形態においては、格子間隔は、約０．１λから約１０λまでの間、好ましくは約０．１λから約４λまでの間であり、ここで、λは、活性領域により放出される光のデバイスにおける波長である。幾つかの実施形態においては、孔２６は、約０．１ａから約０．５ａまでの間の距離ｄを有することができ、ここで、ａは格子定数である。幾つかの実施形態においては、孔の半径と格子定数の比率は、０．２から０．４５までの範囲に及ぶことができる。孔２６は、空気で充填することができ、又は約１から約１６までの間であることが多い誘電定数ε_hの随意的な誘電体で充填することができる。可能な誘電体は、酸化シリコンを含む。

エミッタは、横方向（ｘ−ｙ方向）においてフォトニック結晶領域、ｚ方向において反射性ｐ−コンタクト２０及び空気によって囲まれ、全方向への共振を有する微小共振器を形成する。微小共振器は、優れた光の制御を提供することができる。半導体構造体が薄層化されたとき、光学モード体積はｚ方向に低減される。横方向のモード体積は、エミッタのサイズ及びそれを囲むフォトニック結晶によって制御される。モード体積が低減されるに伴って、共振器内に捕捉することができる導波管モードはより少なくなり、光がデバイスを出る可能性が増大する。フォトニック結晶領域は、これらのモードの抽出を助けるか、又はデバイスから抽出することができる光をエミッタ内に光を完全に閉じ込める。フォトニック結晶及びエミッタのパラメータを適切に選択することにより、デバイスからの抽出が最大化され得る。

ここに説明されるデバイスの一部の有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）モデリングは、フォトニック結晶を有していない領域によって分離された、フォトニック結晶領域を有するデバイスの方が、連続的な中断されないフォトニック結晶を有する同じデバイスよりも、放射輝度及び抽出効率がより高いことを予測する。

ＦＤＴＤモデリングはまた、デバイスの光生成領域をフォトニック結晶から分離することにより、発光領域と反射性コンタクトの間の距離に対する抽出効率及び放射輝度の感受性が低減され、それにより制御が困難になり得ることも予測する。特に、図２及び図９に示されるデバイスのように、フォトニック結晶構造体がｐ−型領域で始まるようにエッチングされるデバイスにおいては、発光領域の配置に対する感度が非常に低い。図１６は、図２に示されるデバイスについての、反射性ｐ−コンタクト２０と発光領域２８との間の距離の関数としての抽出効率のプロットである。図１６に示されるように、ｐ−コンタクト２０と発光領域２８との間の距離が変わっても、抽出効率は大きく変化しない。

さらに、ＦＤＴＤモデリングは、所定のデバイス設計について、エピタキシャル構造体の最も厚い部分の全厚が薄くなるに伴って、抽出効率が向上することを予測する。図１７は、異なるエピタキシャル構造厚さを有する、図２に示される構造体を有するデバイスについてのフォトニック結晶の格子定数の関数としての抽出効率のプロットである。菱形は、約２４０ｎｍのエピタキシャル構造厚さを有するデバイスを表し、正方形は、約２８８ｎｍのエピタキシャル構造厚さを有するデバイスを表し、三角形は、約３３６ｎｍのエピタキシャル構造厚さを有するデバイスを表し、ｘは、約３８４ｎｍのエピタキシャル構造厚さを有するデバイスを表し、アスタリスクは、約４３２ｎｍのエピタキシャル構造厚さを有するデバイスを表し、丸は、約４８０ｎｍのエピタキシャル構造厚さを有するデバイスを表す。図１７に示されるように、一般に、格子定数に関係なく、エピタキシャル構造厚さが減少するに伴って、抽出効率が向上する。従って、幾つかの実施形態においては、エピタキシャル構造体は、５００ｎｍの厚さを超えないほど、より好ましくは４００ｎｍの厚さを超えないほど、より好ましくは３００ｎｍの厚さを超えないほどに制限される。エピタキシャル構造厚さが減少するに伴って、特にコンタクト区域が制限されるｎ−型領域において、電流が拡散できる距離が減少される。従って、より薄いエピタキシャル構造を有するデバイスは、より厚いエピタキシャル構造を有するデバイスと比べて、より狭いｎ−型コンタクト金属の間隔を必要とすることがある。

さらに、ＦＤＴＤモデリングは、最適なフォトニック結晶の格子定数を予測する。図１８は、図２に示される構造体を有するデバイスについての格子定数の関数としての抽出効率のプロットである。図１８に示されるように、フォトニック結晶の格子定数が２００ｎｍより上に増大すると、３００ｎｍから４００ｎｍまでの間の格子定数において抽出効率がピークまで増大する。従って、幾つかの実施形態において、フォトニック結晶の格子定数は、２００ｎｍから５００ｎｍまでの間、より好ましくは３００ｎｍから４００ｎｍまでの間である。図１８に示されるデータにおいて、デバイス内のエミッタは、７つのフォトニック結晶孔のサイズであった。一般に、より大きいエミッタは、より小さいエミッタより、格子定数に対する感受性がより高い。

図４−図８は、図２及び図３に示されるデバイスを形成する方法を示す。図４に示される部分的なデバイスにおいては、ｎ−型領域３４が、通常のように適切な成長基板３２の上に成長される。発光領域２８がｎ−型領域３４の上に成長され、続いてｐ−型領域２４が成長される。例えばＳｉＯ₂とすることができるマスク３６が、ｐ−型領域２４の上に堆積され、次に、例えば電子ビーム・リソグラフィ、ナノ・インプリント・リソグラフィ、極端ＵＶリソグラフィ、ディープＸ線リソグラフィ、干渉リソグラフィ、ホット・エンボス加工、又はマイクロコンタクト・プリンティングのような高解像度リソグラフィ技術を用いて、パターン形成され、開口部３８を形成する。マスク開口部３８の下方のｐ−型半導体材料に、例えば水素が打ち込まれ、非導電性領域２２を形成する。フォトニック結晶によって中断されないことが意図される区域においては、打ち込みはマスク３６を貫通しない。打ち込みは、ｐ−型領域２４の深さ、及び、フォトニック結晶の孔間の横方向距離（およそ（ａ−ｄ）／２の距離）を進まなくてはならない。等方性の打ち込みステップについての打ち込み条件は、打ち込みが２つの距離のより長い方を進むように選択される。打ち込みは、図４に示される非導電性領域２２の深さより深く進むことができる。

図５においては、例えば、反応性イオン、誘導結合プラズマ、集束イオン・ビーム、スパッタ・エッチング、電子サイクロトロン共鳴、又は化学支援イオン・ビーム・エッチングのような通常のドライエッチング技術を用いて、エピタキシャル構造体をエッチングし、フォトニック結晶を形成する孔２６のアレイを形成する。ドライエッチングに起因する損傷は、後の短いウェット化学エッチング、アニール、それらの組み合わせ、又は他の表面パッシベーション技術によって緩和することができる。孔２６は、非導電性材料２２を形成するために打ち込まれたｐ−型半導体層の部分のみに形成される。次に、マスクに適したプロセスによって、マスク３６（図４）を除去する。上述したプロセスに代わるものとして、最初に孔２６をエッチングし、次に構造体に打ち込むことができる。エピタキシャル横方向過成長（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）のような、エッチング以外の技術を用いて、孔２６を形成することもできる。

図６において、デバイスの表面の上に、ｐ−コンタクト２０を形成する。図６に示されるように、ｐ−コンタクト２０は、一般に、連続的シートで形成された銀のような反射性材料である。孔２６内への金属の堆積を回避するように、斜め蒸着（ａｎｇｌｅｄ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によってｐ−コンタクト２０を堆積することができる。例えば、インジウム・スズ酸化物、ＺｎＯ：Ｇａ、又はＩｎＯ：Ｇａとすることができる、電流を拡散し、ｐ−コンタクト２０の反射率を増大させるための随意的な導電性酸化物４１は、例えば蒸着によって、エピタキシャル構造体の上面とｐ−コンタクト２０との間に形成することができる。

図７においては、デバイスは、図４、図５及び図６に示される配向に対して反転され、例えば１つ又はそれ以上の金属又は非金属のボンディング層４５によって、ホスト基板４４に結合される。成長基板３２を、例えば、サファアイア基板のためのレーザ溶融、或いはＳｉＣ又は複合基板のためのエッチングなど、基板材料に適した技術によって除去する。成長基板３２を除去することにより、多くの場合ｎ−型領域であるエピタキシャル構造体の表面が露出される。

図８においては、例えば光電気化学的又はドライエッチングによって、デバイスのエピタキシャル構造体を随意的に薄層化することができ、次に、ｎ−型領域の露出された上面に、ｎ−コンタクト２５が形成される。フォトニック結晶は、デバイスの上面を貫通しても、又は貫通しなくてもよい。ｎ−コンタクト２５は、不透明、半透明、又は反射性とすることができ、よって、ｎ−コンタクト２５の横方向の範囲又は広がりは、光の吸収を最小にするように制限される。図８に示されるように、ｎ−コンタクト２５は、一般に、フォトニック結晶を有していない領域内、及び、非導電性領域２２の上にある領域内に配置され、その結果、ｎ−コンタクトの真下で生成される光は、コンタクトによる吸収により失われる可能性が高いので、ｎ−コンタクト２５の真下の発光領域の部分において光は生成されない。図１５Ａ及び図１５Ｂは、２つの可能なｎ−コンタクト２５の平面図である。図１５Ａのデバイスにおいて、ｎ−コンタクト２５は、幾つかの緊密に離間配置された金属ライン１５０である。ライン１５０は、１つ又はそれ以上のボンディング・パッド１５２に電気的に接続され、ボンディング・パッド１５２は、ワイヤ・ボンドなどによってデバイスを別の構造体に電気的に接続するのに十分に大きい金属パッドとすることができる。図１５Ｂのデバイスにおいて、ｎ−コンタクト２５は、格子状に形成された幾つかの緊密に離間配置された金属ライン１５４である。図１５Ａ及び図１５Ｂのデバイス内にｎ−コンタクト２５を形成する金属ライン１５２及び１５４が不透明である場合、エミッタの上では放出された光が不透明な金属ラインに吸収して失われることがあるので、これらの金属ラインは、エミッタの上ではなく、光が生成されないデバイスのフォトニック結晶領域の上に形成することが好ましい。代替的に、金属ライン１５２及び１５４は透明であってもよく、或いは半導体構造体の上面が平坦である場合には、ｎ−コンタクト２５は、電流を拡散するように、上面の全て又はほぼ全てを覆う透明なコンタクトとすることもできる。典型的には、コンタクトは、デバイスに順方向バイアスがかけられたとき、アレイ内の全てのエミッタが活性化されるように形成されるので、エミッタのアレイ内の個々のエミッタを単独で扱うことはできない。

図９は、エピタキシャル構造体がフリップ・チップとして実装された、本発明の代替的な実施形態を示す。図９に示されるデバイスは、フォトニック結晶がｐ−型領域に隣接する非導電性領域の表面で始まるようにエッチングすることによって形成されるという点で、図２に示されるデバイスに類似している。図２に示されるように、エピタキシャル構造体の両側に形成された連続的シートのｐ−コンタクト２０及びｎ−コンタクトではなく、図９のデバイスにおいては、発光領域２８及びｐ−型領域又は非導電性領域の一部分が除去され、ｎ−型領域２９に電気的に接続される、ｎ−コンタクト５２が形成されるビア６０を形成する。ｐ−コンタクト５０及び随意的な導電層５１が中断され、ｎ−コンタクト５２を収容する。ｎ−コンタクト５２及びｐ−コンタクト５０は、空気又は固体絶縁材料とすることができる誘電体層５３及び５５によって互いから電気的に絶縁することができる。

図９に示されるエピタキシャル構造体は、マウント６２上に実装されるように示される。マウント６２は、セラミック又は半導体のような電気絶縁及び熱伝導性材料６３を含むことができる。ｐ−コンタクト５０は、ｐ−相互接続部５７によってマウント６２に物理的及び電気的に接続される。ｎ−コンタクト５２は、ｎ−相互接続部５８によってマウント６２に物理的及び電気的に接続される。ｐ−相互接続部５７及びｎ−相互接続部５８は、例えば、はんだ又は金とすることができる。１つ又はそれ以上の導電性ビア６６が、ｐ−相互接続部５７をマウント６２の下部のｐ−ボンディング・パッド６４に電気的に接続する。１つ又はそれ以上の導電性ビア６７が、ｎ−相互接続部５８をマウント６２の下部のｎ−ボンディング・パッド６５に電気的に接続する。

図９に示されるデバイスは、次のように形成することができる。図５に示されるようにフォトニック結晶構造体がエッチングされた後、非導電性領域２２又はｐ−型領域２４、発光領域２８、及びｎ−型領域２７、２９、又は３０の一部分が除去され、図６に示されるビア６０を形成する。随意的な導電層５１及びｐ−コンタクト５０が、非導電性領域２２及びｐ−型領域２４の残りの部分の上に形成される。ビア６０内にｎ−コンタクト５２が形成される。図９に示されるように、付加的な誘電体層及び金属層を形成することもできる。次に、ｐ−コンタクト５０をｐ−相互接続部５７に取り付け、ｎ−コンタクト５２をｎ−相互接続部５８に取り付けることによって、構造体をマウント６２上に実装する。次に、上述したように、図５に示される成長基板３２を除去する。成長基板を除去する前に、フリップ・チップ実装されたデバイスにおいて、エピタキシャル構造体とマウントとの間に材料を導入して、エピタキシャル構造体を支持し、成長基板の除去中に亀裂が入るのを防ぐことができる。成長基板が除去された後、エピタキシャル構造体を随意的に薄層化し、ｎ−型領域の露出された面を随意的にテキスチャ加工して、光抽出を高めることができる。

図２１−図２３は、エピタキシャル構造体内の半導体層を横方向に酸化することによって、フォトニック結晶領域から電流が遮断されるデバイスを形成する方法を示す。図２１に示されるデバイスの部分において、ｎ−型領域１６０と、例えばＡｌＩｎＮとすることができる、横方向の酸化に適した半導体層１６１と、ｎ−型領域１６３とｐ−型領域１６５との間に挟まれた発光領域２８とを含むエピタキシャル構造体が、成長基板３２の上に成長される。エピタキシャル構造体の上にｐ−コンタクト金属２０が形成され、次いでマスク１６７が形成される。次に、構造体をパターン形成し、フォトニック結晶領域内の孔２６と、フォトニック結晶を有していないエミッタ１６８とを形成する。

図２２において、層の部分１６１が酸化され、非導電性酸化物部分１６４で囲まれた導電部分１６１をもたらす。ＡｌＩｎＮ酸化物部分１６４を次のように形成することができる。すなわち、ｐＨ８．５のニトリロ三酢酸／水酸化カリウム／水の溶液中にサンプルを配置する。溶液中に白金ワイヤも配置し、サンプルと、ＡｌＩｎＮ層の酸化を推進するワイヤとの間にバイアスを確立する。酸化物部分１６４は、フォトニック結晶孔２６を有するデバイスの領域における電流の注入を遮断する。

図２３において、マスク１６７が剥離され、次いで、ｐ−コンタクト２０の上に、コンタクト金属１７０が形成される。コンタクト金属１７０の上に１つ又はそれ以上の随意的なボンディング層１７２を形成することができ、次いで、ホスト基板１７６上に形成された１つ又はそれ以上の随意的なボンディング層１７４を介して、構造体がホスト基板１７６に接合される。図２に示されるように、基板３２を除去し、ｎ−型領域１６０を随意的に薄層化及び／又はテキスチャ加工し、露出されたｎ−型領域上にｎ−コンタクトを形成することができる。

図１０は、本発明の代替的なフリップ・チップの実施形態を示す。ｐ−型領域の表面で始まるようにエッチングされるフォトニック結晶構造体の場合である上述したデバイスとは違って、ｎ−型領域の表面で始まるようにエッチングすることによって、図１０のデバイスのフォトニック結晶構造体が形成される。ｎ−型領域７４の部分内に、フォトニック結晶を形成する孔７６のアレイが形成される。ｎ−型領域７４の別の部分７７は、フォトニック結晶によって中断されない。ｎ−型領域７４のこれらの中断されない部分は、ｐ−型領域７２の上に配置される。ｐ−型領域７２は、非導電性材料７１で囲まれるので、ｎ−型領域７４のうちフォトニック結晶によって中断されない部分７７においてのみ、電流が発光領域７３内に注入される。非導電性材料領域７１は、フォトニック結晶を形成する孔７６のアレイの下にある。ｐ−型領域７０は、非導電性材料領域７１及びｐ−型領域７２の下にある。

図１０のデバイスにおいて、ｎ−コンタクト５２が、ビア内に形成され、ｎ−型領域７４の裏面に電気的に接続される。ｐ−コンタクト５０が、ｐ−型領域７０に電気的に接続される。ｐ−コンタクト５０及びｎ−コンタクト５２は、誘電体層５３及び５５によって互いから電気的に絶縁することができる。半導体層は、図９を参照して上述したマウントに類似したものであり得るマウント６２上に実装される。図９に示されるように、ｐ−相互接続部５７は、ｐ−コンタクト５０をマウント６２に電気的及び物理的に接続し、ｎ−相互接続部５８は、ｎ−コンタクト５２をマウント６２に電気的及び物理的に接続する。

図１１−図１３は、図１０に示されるデバイスを形成する方法を示す。最初に、通常のｎ−型領域７４が、適切な成長基板の上に成長され、続いて通常の発光領域７３及び通常のｐ−型領域７０が成長される。ｐ−型領域７０及び発光領域７３を通って１つ又はそれ以上のビア８０がエッチングされ、ｎ−型領域７４の部分を露出させる。ｎ−型領域７４に電気的に接続されたビア内に、ｎ−コンタクト５２が形成される。次に、図９及び図１０を参照して上述されたように、デバイスは、成長方向に対して反転され、マウント６２上に実装される。上述したように成長基板を除去し、ｎ−型領域７４の表面を露出させ、ｎ−型領域７４の上にマスク層８２を配置し、図１１に示されるデバイスをもたらす。

マスク層８２を、例えば、ウェーブ・プリンティングのような柔軟な打ち抜き又はスタンププロセスによるなど、ウェハ上に個々のダイの高さの可能な差を明らかにするプロセスによって、パターン形成する。次に、図１２に示されるように、半導体層をエッチングして、フォトニック結晶を形成する孔７６のアレイと、孔７６によって中断されないｎ−型領域７４のエミッタ区域７７とを形成する。図１３では、ｐ−型領域７０の部分７１には、例えば水素が打ち込まれ、それらが非導電性にされる。非導電性部分７１は、フォトニック結晶を形成する孔７６のアレイの下方に配置される。非導電性部分７１は、ｐ−型のままである部分７２を囲む。発光領域７３のうちｐ−型部分７２の近くにのみ電流が注入され、よって、光は、エミッタにおいてのみ生成される。非導電性領域７１への打ち込み後、マスキング材料に適した技術によって、マスク８２を剥離し、図１０に示されるデバイスをもたらす。

上述した実施形態において、１つ又はそれ以上の蛍光体などの波長変換層、或いはダイクロイック又は偏光子のような当技術分野において周知の二次光学系といった構造体を発光面に適用することができる。発光領域は、青色光を放出することができる。波長変換層は、青色光の少なくとも一部分を吸収し、より長い波長で１つ又はそれ以上の光の色を放出するように構成することができるので、変換されていない青色光及び波長変換された光の複合体は、白色、或いは例えば、赤色、青色、又は緑色のような単色に見える。

上述したデバイスは、幾つかの利点を有することができる。フォトニック結晶によって中断されない発光領域の部分において、光が生成される。従って、エミッタ（ここで光が生成される）は、フォトニック結晶領域（ここで光がデバイスから抽出される）から物理的に分離される。キャリアはフォトニック結晶から離れて再結合するので、孔の深さがデバイスの全厚の高いパーセンテージとなるように、フォトニック結晶を形成する孔を、活性領域を通して延ばすことができ、そのことは、フォトニック結晶の反射性特性を改善し、潜在的にエミッタにおけるより高い光の閉じ込め、又はより高い発光効率をもたらすことができる。さらに、発光領域のこれらの部分はフォトニック結晶をエッチングすることによって損傷されないので、この分離は、光を放出する発光領域の部分におけるより高い光生成効率の利点を提供することができる。さらに、デバイスの光生成領域をフォトニック結晶から分離することにより、平坦な面上に電気コンタクトを形成することが可能になり、そのことは、フォトニック結晶のようなテキスチャ加工された面に接触させるよりもはるかに簡単であり、より確実で丈夫なコンタクトをもたらすことができる。

図１４は、特許文献３により詳細に説明されるようなパッケージ型発光デバイスの展開図である。ヒートシンクスラグ２００が、インサート成形されたリードフレーム内に配置される。インサート成形されたリードフレームは、例えば、電気経路を提供する金属フレーム２０６の周りに成形された充填されたプラスチック材料２０５である。スラグ２００は、随意的な反射器カップ２０２を含むことができる。上記の実施形態において述べられたデバイスのいずれとすることもできる発光デバイス・ダイ２０４は、熱伝導性マウント２０３を介してスラグ２００に直接的又は間接的に実装される。随意的なレンズとすることができるカバー２０８を付加することもできる。

本発明を詳細に説明したが、当業者であれば、本開示が与えられた場合、ここに述べられる本発明の概念の精神から逸脱することなく、本発明に変更をなし得ることを理解するであろう。例えば、上記の例はＩＩＩ族窒化物デバイスを説明するが、他の材料系から形成されたデバイス内に、本発明の実施形態を形成することができる。従って、本発明の範囲は、示され説明された特定の実施形態に制限されるように意図されるものではない。

２０ ｐ−コンタクト
２２ 非導電性領域
２４ ｎ−型領域
２５ ｎ−コンタクト
２６ フォトニック結晶孔
２８ 発光領域
３２ 成長基板
３４ ｎ−型領域
３６ マスク
３８ マスク開口部
４１ 導電性酸化物
４４ ホスト基板
４５ ボンディング層
５０ ｐ−コンタクト
５１ 導電層
５２ ｎ−コンタクト
５３、５５ 誘電体層
５７ ｐ−相互接続部
５８ ｎ−相互接続部
６０ 導電性ビア
６２ マウント
６４ ｐ−ボンディング・パッド
６５ ｎ−ボンディング・パッド
６６、６７ 導電性ビア
７１ 非導電性領域
７２ ｐ−型領域
７３ 発光領域
７４ ｎ−型領域
７６ 孔
７７ エミッタ区域
８０ ビア
８２ マスク層

Claims (37)

1. ｎ−型領域とｐ−型領域との間に配置された発光領域を含む構造体と、前記構造体の下面の少なくとも一部分上に配置された反射器と、を備えたデバイスであって、
   前記構造体内には複数の孔が、前記発光領域の第１の部分に対応する前記構造体の第１の領域内に形成され、
   前記構造体の複数の第２の領域には孔がなく、第２の領域の各々が、前記発光領域の第２の部分に対応し、前記第１の領域に囲まれており、
   前記デバイスは、順方向バイアスがかけられたとき、前記第２の領域内に電流が注入され、前記第１の領域には実質的に電流がないように構成され、
   前記第１の領域の前記複数の孔が非導電性材料内に設けられていることを特徴とするデバイス。
2. 前記構造体から抽出される光の大部分は、前記第１の領域から放出されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記構造体から抽出される光の大部分は、前記複数の第２の領域から放出されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記構造体から抽出される光は、前記第１の領域及び前記複数の第２の領域の両方から放出されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記構造体から抽出される光の大部分は、前記構造体の上面を通して抽出されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記複数の孔は、周期的な屈折率の変化を含むフォトニック結晶を形成することを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記構造体の前記第１の領域は、非導電層を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記非導電層は、打込み層又は酸化物層を含むことを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記構造体は、ＩＩＩ族窒化物半導体構造体を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記孔は、発光領域内に延びることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記孔は、前記ｎ−型領域内に延びることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記孔は、前記ｐ−型領域内に延びることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
13. 前記孔は、前記構造体の全厚を通して延びることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
14. 前記孔への開口部は前記構造体の上面内に配置され、前記孔は前記構造体の下面に向けて延びることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
15. 前記孔への開口部は前記構造体の下面内に配置され、前記孔は前記構造体の上面に向けて延びることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
16. 前記反射器は銀を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
17. 前記反射器は、前記ｐ−型領域に電気的に接続された第１のコンタクトであり、前記デバイスは、前記構造体の上面に近接した前記ｎ−型領域に電気的に接続された第２のコンタクトをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
18. 前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトの一方と前記構造体との間に配置された導電性酸化物をさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載のデバイス。
19. 前記導電性酸化物は、インジウム・スズ酸化物、ＩｎＯ：Ｇａ、及びＺｎＯ：Ｇａの１つであることを特徴とする、請求項１８に記載のデバイス。
20. 前記反射器は、前記ｐ−型領域に電気的に接続された第１のコンタクトであり、前記デバイスは、前記ｎ−型領域に電気的に接続された第２のコンタクトをさらに含み、前記第２のコンタクトは、前記構造体の前記下面に形成されたビア内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
21. 前記複数の孔は、前記構造体の前記下面に近接して配置されることを特徴とする、請求項２０に記載のデバイス。
22. 前記複数の孔は、前記構造体の上面に近接して配置されることを特徴とする、請求項２０に記載のデバイス。
23. 前記第２の領域の少なくとも１つは、０．１５μｍから３μｍまでの間の横方向の範囲を有することを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
24. 前記複数の第２の領域の各々は、最も近い隣接する第２の領域から、０．３μｍから１０μｍまでの間だけ離間配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
25. 前記構造体の最大厚は、５００ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
26. 前記複数の孔は、２００ｎｍから５００ｎｍまでの間の格子定数を有する格子内に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
27. 前記複数の孔は、三角格子、正方格子、六方格子、ハニカム格子、準結晶格子のうちの１つの格子内に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
28. 前記複数の孔は、ある格子定数を有する格子内に形成され、少なくとも１つの孔の半径と前記格子定数の比率は、０．２から０．４５までの間の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
29. 前記ｎ−型領域及び前記ｐ−型領域に電気的に接続されたリード線と、前記構造体の上に配置されたカバーとをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
30. 前記構造体から抽出された光路内に配置された波長変換材料をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
31. 順方向バイアスがかけられたとき、前記発光領域は第１の波長の光を放出し、前記波長変換材料は、前記第１の波長の光の少なくとも一部分を吸収し、かつ、少なくとも１つの第２の波長の光を放出するように構成され、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光を含む複合光が白色に見えることを特徴とする、請求項３０に記載のデバイス。
32. 順方向バイアスがかけられたとき、前記発光領域は第１の波長の光を放出し、前記波長変換材料は、前記第１の波長の光の少なくとも一部分を吸収し、かつ、第２の波長の光を放出するように構成され、前記波長変換材料を通過した後、前記デバイスから逃れる光は、前記第２の波長の色に見えることを特徴とする、請求項３０に記載のデバイス。
33. 前記第２の波長は、赤色、緑色、及び青色であることを特徴とする、請求項３２に記載のデバイス。
34. 前記ｎ−型領域に電気的に接続された第１のコンタクトと、前記ｐ−型領域に電気的に接続された第２のコンタクトとをさらに含み、前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトは、順方向バイアスがかけられたとき、前記第２の領域の各々に電流が注入されるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
35. 前記前記構造体のｎ−型領域上の上面に形成されたｎ−コンタクトと、
    前記ｎ−コンタクトと前記反射器との間に配置された非導電性材料を有する請求項１に記載のデバイス。
36. 前記非導電性材料は、前記ｐ−型領域に隣接している請求項１に記載のデバイス。
37. 前記非導電性材料は、前記反射器と前記発光領域との間に配置されている請求項１に記載のデバイス。

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