JP6429626B2 - 層成長のためのパターンを有する基板の設計 - Google Patents

Description

本出願は、２０１１年９月６日出願の同時係属中の米国仮特許出願第６１／５３１，４４０号（発明の名称「窒化物系半導体層の成長のための最適パターンを有する基板を備えた発光ダイオード」）に基づく優先権を主張し、上記出願を参考のためここに援用する。本発明の一態様はさらに２０１２年６月１５日出願の米国特許出願第１３／５２４，３５０号（発明の名称「反転大規模光取出し構造を有する素子」）および２０１２年６月１４日出願の米国特許出願第１３／５１７，７１１号（発明の名称「取出しを改善した発光素子」）に関連し、これらを参考のためここに援用する。

本発明は、半導体素子に関し、特に、例えばＩＩＩ族窒化物層などの層を成長させるパターンを有する基板の設計、および発光素子の成長に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体から形成される固体発光素子を含む。ＩＩＩ−Ｖ族半導体のサブセットはＩＩＩ族窒化物合金を含み、ＩＩＩ族窒化物合金はインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および窒素（Ｎ）の二元合金、三元合金および四元合金を含み得る。例示的なＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤおよびＬＤは、Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎという形態であり得る。上記式において、ｘおよびｙは所与の元素のモル分率であり、０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。その他の例示的ＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤおよびＬＤは窒化ボロン（ＢＮ）系であり、Ｇａ_ｚＩｎ_ｙＡｌ_ｘＢ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎという形態であり得、上記式において、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１である。

ＬＥＤは典型的には半導体層により構成される。ＬＥＤは以下のように動作する。ドープ層にバイアスが付与されると電子およびホールが活性層に注入される。活性層では電子−ホールが再結合して発光する。発光は均一な角度分布で発生し、半導体層を全方位に横切ることによりＬＥＤダイから出射する。各半導体層は、様々な元素に関してモル分率の特定の組み合わせ（例えば、ｘ、ｙおよびｚ）を有し、これが層の光学特性に影響を与える。特に層の屈折率および吸収特性は、半導体合金のモル分率に対して感受性が高い。

２つの層の間における界面は半導体ヘテロ接合と定義される。界面において、モル分率の組み合わせは不連続な量で変化すると考えられる。モル分率の組み合わせが連続的に変化する層は傾斜型と呼ばれる。半導体合金のモル分率変化はバンドギャップの制御を可能にするが、材料の光学特性の急峻な変化をもたらし、その結果、光のトラップを起こし得る。層間の屈折率および基板とその周囲との屈折率の変化が大きいほど、内部全反射（ＴＩＲ）角は小さい（光が高屈折率材料から低屈折率材料に伝搬する場合）。ＴＩＲ角が小さいと、界面境界からの反射光束量が大きくなり、層またはＬＥＤ金属との接触により光がトラップされ、その後吸収される。

界面に凹凸がある場合、内部全反射を起こすことなく光を逃がすことのできる追加の表面を提供することにより、光のトラップを部分的に緩和することができる。しかしＴＩＲがなくてもフレネル損失のために、界面を透過することができるのは光の一部にすぎない。フレネル損失は入射角にかかわらず界面で部分的に反射した光と関連する。界面の各側における材料の光学特性はフレネル損失の大きさを決定し、フレネル損失は透過光のかなりの部分を占める可能性がある。界面に凹凸がある場合、半導体層内での応力場の蓄積も部分的に緩和される。

本発明の一態様は、ＩＩＩ族窒化物系半導体層などの半導体層の成長を改善するパターン化された表面を提供する。パターン化された表面は実質的に平坦な上面部の集合（set）と複数の開口部とを含み得る。実質的に平坦な上面部の各々は約０．５ナノメートル未満の二乗平均平方根粗さを有し得、複数の開口部が約０．１ミクロンから５ミクロンの間の特徴的サイズを有得る。

本発明の第１の態様は、パターン化された表面を有する基板を含む素子であって、前記パターン化された表面が実質的に平坦な上面部の集合（set）と複数の開口部とを含み、前記実質的に平坦な上面部の各々が約０．５ナノメートル未満の二乗平均平方根粗さを有し、前記複数の開口部は約０．１ミクロンから５ミクロンの間の特徴的サイズを有する、素子を提供する。

本発明の第２の態様は、素子の基板のパターン化された表面を設計する工程を備えた方法であって、前記パターン化された表面が実質的に平坦な上面部の集合（set）と複数の開口部とを含み、前記実質的に平坦な上面部の各々が約０．５ナノメートル未満の二乗平均平方根粗さを有し、前記複数の開口部が約０．１ミクロンから５ミクロンの間の特徴的サイズを有する、方法を提供する。

本発明の第３の態様は、素子を製造する方法を実行するように構成されたコンピュータシステムであって、前記方法が、前記素子の基板のパターン化された表面を製造する工程であって、前記パターン化された表面が実質的に平坦な上面部の集合（set）と複数の開口部とを含み、前記実質的に平坦な上面部の各々が約０．５ナノメートル未満の二乗平均平方根粗さを有し、前記複数の開口部が約０．１ミクロンから５ミクロンの間の特徴的サイズを有し、前記基板の前記パターン化された表面上に直接ＩＩＩ族窒化物層を成長させることを備えた、システムを提供する。

本発明の例示的な一態様は本明細書に記載の問題点の１以上および／または他の問題点の１以上を解決するように設計されている。

一実施形態による例示的な発光素子の模式的構成を示す。 一実施形態による基板の例示的パターン化された表面を一次元スキャンした結果を示す図である。 一実施形態による基板の例示的パターン化された表面を二次元スキャンした結果を示す図である。 一実施形態による基板の例示的パターン化された表面を三次元スキャンした結果を示す図である。 第２の実施形態による基板の例示的パターン化された表面の側面図である。 第２の実施形態による基板の例示的パターン化された表面の二次元平面図である。 一実施形態による基板とバッファ層との間の例示的界面を模式的に示す図である。 一実施形態によるパターン化された表面上に層を３μｍ成長させた後に二次元スキャンした例示的結果を示す図である。 一実施形態によるパターン化された表面上に層を５μｍ成長させた後に二次元スキャンした例示的結果を示す図である。 第３の実施形態による基板の例示的パターン化された表面の二次元平面図である。 一実施形態による例示的な粗さ要素（roughness elements）を示す図である。 一実施形態による粗さ要素（roughness elements）の例示的モデルを示す図である。 一実施形態による回路の製造を示す例示的フロー図である。

本開示の上記および他の特徴は、以下に示す本発明の様々な態様の詳細な説明を添付の図面と共に読むことにより、さらに容易に理解できる。添付の図面は本発明の様々な態様を示す。

図面は一定の縮尺によるものではない可能性があることに留意されたい。図面は本発明の典型的な態様を示すにすぎず、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面において、同様の構成要件には同様の符号を用いる。

上記のように本発明の一態様は、ＩＩＩ族窒化物系半導体層などの半導体層の成長を改善するパターン化された表面を提供する。パターン化された表面は実質的に平坦な上面部の集合（set）と複数の開口部とを含み得る。実質的に平坦な上面部の各々は、約０．５ナノメートル未満の二乗平均平方根粗さを有する。開口部は、約０．１ミクロンと５ミクロンとの間という特徴的サイズを有する。本明細書において特に記載がない限り、用語「集合（set）」は、１以上（すなわち少なくとも１）を意味し、「任意の方法」という文言は、現在公知の、あるいは後に開発される方法を意味する。

図１は、一実施形態による例示的な発光素子１０の模式的構成を示す。より具体的な実施形態では、発光素子１０は発光ダイオード（ＬＥＤ）として、例えば従来のＬＥＤまたはスーパールミネセントＬＥＤとして動作するように構成される。あるいは発光素子１０はレーザダイオード（ＬＤ）として動作するように構成し得る。いずれの場合も発光素子１０は以下のように動作する。バンドギャップに匹敵するバイアスが印加されると、発光素子１０の活性領域１８から電磁放射線が放射される。発光素子１０が出射する電磁放射線は、可視光、紫外線、遠紫外線、および／または赤外線などを含む任意の波長範囲にピーク波長を有し得る。

発光素子１０は、基板１２と、基板１２に隣接するバッファ層１４と、バッファ層１４に隣接するｎ型クラッド層１６（例えば電子供給層）と、ｎ型クラッド層１６に隣接するｎ型表面１９Ａを有する活性領域１８とを含むヘテロ構造を有する。さらに発光素子１０のヘテロ構造は、活性領域１８のｐ型表面１９Ｂに隣接するｐ型層２０（例えば電子阻止層）と、ｐ型層２０に隣接するｐ型クラッド層２２（例えばホール供給層）とを含む。

より具体的な例示的実施形態では、発光素子１０は、様々な層の一部または全部がＩＩＩ−Ｖ族材料系から選択される元素により形成されているＩＩＩ−Ｖ族材料系素子である。さらに具体的な例示的実施形態では、発光素子１０の様々な層はＩＩＩ族窒化物系材料により形成されている。ＩＩＩ族窒化物材料は、１以上のＩＩＩ族元素（例えば、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａ）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ））と窒素（Ｎ）とを含み、例えばＢ_ＷＡｌ_ＸＧＡ_ＹＩｎ_ＺＮである。上記式において、０≦Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｗ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１である。ＩＩＩ族窒化物材料の例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＢＮおよびＡｌＧａＩｎＢＮが挙げられ、ＩＩＩ族元素のモル分率は任意である。

ＩＩＩ族窒化物系発光素子１０の例示的実施形態は、活性領域１８（例えば複数の量子井戸とバリア層とを交互に有する）を含み、活性領域１８はＩｎ_ｙＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、Ｇａ_ｚＩｎ_ｙＡｌ_ｘＢ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}ＮまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ半導体合金などにより形成される。同様に、ｎ型クラッド層１６とｐ型層２０もＩｎ_ｙＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ合金またはＧａ_ｚＩｎ_ｙＡｌ_ｘＢ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ合金などにより形成し得る。ｘ、ｙおよびｚが表すモル分率は、層１６、１８および２０間で異なり得る。基板１２はサファイア、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＯＮ、ＬｉＧａＯ_２、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＢＮまたはその他の適切な材料で形成し得、バッファ層１４はＡｌＮおよび／またはＡｌＧａＮ／ＡｌＮ超格子などで形成し得る。

発光素子１０に関して図示するように、ｐ型金属２４はｐ型クラッド層２２に接することができ、ｐ型コンタクト２６はｐ型金属２４に接し得る。同様に、ｎ型金属２８はｎ型クラッド層１６に接することができ、ｎ型コンタクト３０はｎ型金属２８に接し得る。ｐ型金属２４とｎ型金属１８とはそれぞれ対応する層２２と１６とに対してオーミックコンタクトを形成することができる。ある実施形態では、ｐ型金属２４およびｎ型金属２８は各々、いくつかの導電性かつ反射性金属層を含み、ｎ型コンタクト３０およびｐ型コンタクト２６は各々、高導電性金属を含む。ある実施形態では、ｐ型クラッド層２２および／またはｐ型コンタクト２６は、活性領域１８によって発生した電磁放射線に対して少なくとも部分的に透過性（例えば半透過性または透過性）である。例えばｐ型クラッド層２２および／またはｐ型コンタクト２６は短周期超格子構造を含み得、短周期超格子構造とは例えば、少なくとも部分的に透過性のマグネシウム（Ｍｇ）ドープ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ短周期超格子構造（ＳＰＳＬ）である。さらにｐ型コンタクト２６および／またはｎ型コンタクト３０は、活性領域１８によって発生した電磁放射線に対して少なくとも部分的に反射性であり得る。別の実施形態では、ｎ型クラッド層１６および／またはｎ型コンタクト３０はＡｌＧａＮ ＳＰＳＬなどの短周期超格子によって形成し得、短周期超格子は活性領域１８によって発生した電磁放射線に対して少なくとも部分的に透過性である。

本明細書において、層が対応する放射波長範囲の電磁放射線を少なくとも部分的に透過させる場合、その層は少なくとも部分的に透過性であると表現する。例えば層は、活性領域１８が発光する光（例えば紫外線または遠紫外線）のピーク発光波長に対応する放射波長範囲（例えばピーク発光波長＋／−５ナノメートル）に対して少なくとも部分的に透過性となるように構成し得る。本明細書において、層が放射の約０．５パーセントより多い量を透過させる場合、その層は放射に対して少なくとも透過性であると表現する。より具体的な実施形態では、少なくとも部分的に透過性の層は、放射の約５パーセントより多い量を透過させるように構成される。同様に、層が関係する電磁放射線（例えば活性領域のピーク発光に近い波長の光）の少なくとも一部を反射する場合、その層は少なくとも部分的に反射性であると表現する。ある実施形態では、少なくとも部分的に反射性の層は、放射の少なくとも約５パーセントを反射するように構成される。

さらに発光素子１０について図示するように、素子１０はコンタクト２６および３０を介してサブマウント３６上に搭載し得る。この場合、基板１２は発光素子１０上に位置する。これに関して、ｐ型コンタクト２６およびｎ型コンタクト３０は共にそれぞれコンタクトパッド３２および３４を介してサブマウント３６に取り付け得る。サブマウント３６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および／または炭化シリコン（ＳｉＣ）などで形成し得る。

発光素子１０の様々な層はいずれも、実質的に均一な組成を含んでもよいし傾斜型組成を含んでもよい。例えば層は別の層とのヘテロ界面において傾斜型組成を含み得る。ある実施形態では、ｐ型層２０は傾斜型組成を有するｐ型阻止層を含む。傾斜型組成は、例えば応力を低減するため、および／またはキャリア注入を改善するためなどに含み得る。同様に、層は複数の周期を含む超格子を含み得、超格子は例えば応力を低減するように構成し得る。この場合、各周期の組成および／または幅は定期的にまたは周期毎に不定期に変化し得る。

本明細書に記載する発光素子１０の層構造は一例にすぎないことが理解される。これに関して、発光素子／ヘテロ構造は別の層構造および／または１以上の追加の層などを含み得る。したがって図示する層は互いに近接している（例えば互いに接している）が、発光素子／ヘテロ構造に１以上の中間層が存在し得ることが理解される。例えば例示的発光素子／ヘテロ構造は、活性領域１８と、ｐ型クラッド層２２と電子供給層１６との一方または両方との間にドープされていない層を含み得る。

さらに発光素子／ヘテロ構造は分布ブラッグ反射（Distributive Bragg Reflector (DBR) structure：ＤＢＲ）構造を含み得る。ＤＢＲ構造は、例えば活性領域１８が発光した光などの特定の波長を有する光を反射し、それによって素子／ヘテロ構造の出力パワーを増強するように構成し得る。例えばＤＢＲ構造は、ｐ型クラッド層２２と活性領域１８との間に配置し得る。同様に、素子／ヘテロ構造は、ｐ型クラッド層２２と活性領域１８との間に配置したｐ型層を含み得る。ＤＢＲ構造および／またはｐ型層は、素子／ヘテロ構造によって発生した所望の光波長に基づいて任意の組成を含み得る。一実施形態ではＤＢＲ構造は、Ｍｇ、Ｍｎ、ＢｅまたはＭｇ＋Ｓｉがドープされたｐ型組成を含む。ｐ型層はｐ型ＡｌＧａＮおよび／またはＡｌＩｎＧａＮを含み得る。素子／ヘテロ構造はＤＢＲ構造およびｐ型層（ＤＢＲ構造とｐ型クラッド層２２との間に配置し得る）の両方を含んでもよいし、ＤＢＲ構造およびｐ型層の一方のみを含んでもよいことが理解される。一実施形態では、ｐ型層は電子阻止層の代わりに素子／ヘテロ構造に含み得る。別の実施形態では、ｐ型層はｐ型クラッド層２２と電子阻止層との間に含み得る。

いずれにしても図１に示すように、素子１０はパターン化された表面４０を有する基板１２を含み得る。パターン化された表面４０は、基板１２とそれに隣接する層、例えばバッファ層１４との間の応力の蓄積を緩和するように、および／または転位密度が低い半導体層、例えばバッファ層１４などを生成するように構成し得る。一実施形態では、パターン化された表面４０は、上面部４２などの上面部の集合（set）と、上面部４２の集合（set）の連続性を遮断する複数の開口部４４とを含む。本明細書において、上面部４２の集合（set）のうち各上面部４２は実質的に平坦であればよく、バッファ層１４の成長のためにエピの準備が整った（例えばエピ層成長の準備が整った）上面部４２の集合（set）を提供するように構成し得る。例えばサファイアで形成された基板と窒化アルミニウムで形成されたバッファ層の場合、上面部４２の集合（set）は約０．５ナノメートル未満の二乗平均平方根粗さの凹凸を有する。

図２から図４はそれぞれ、一実施形態による基板１２（図１）の例示的なパターン化された表面４０Ａを一次元、二次元および三次元スキャンした結果を示す。この場合、パターン化された表面４０Ａは、例えば領域４６などの複数の凸領域と、凸領域４６間の複数の開口部４４により形成されている。各凸領域４６は、実質的に平坦な上面部４２を含み得る。本明細書において、凸領域４６の上面部４２とは、領域４６の表面であって基板１２から最も遠い表面を指す。

図示するように各凸領域４６は断面六角形状のパターンを含み得、複数の凸領域４６は六角形状パターンを形成し得る。しかし凸領域４６は様々なタイプ／形状の断面パターンの１以上の任意の組み合わせを含み得、任意のタイプのパターンを形成し得ることが理解される。さらに図示する各凸領域４６は、幅約３．５ミクロン（μｍ）の基底部４８と幅約２．０μｍの上面部４２とを有し、高さが約０．６５μｍである。一実施形態では、複数の凸領域４６の特徴的サイズは約０．１ミクロンと約５．０ミクロンとの間である。さらに複数の凸領域４６間の複数の開口部４４の特徴的サイズは、複数の凸領域４６の特徴的サイズ以下であり得る。

図５および図６はそれぞれ、第２の実施形態による基板１２（図１）の例示的パターン化された表面４０Ｂの側面図と二次元平面図である。この場合、パターン化された表面４０Ｂは、複数の開口部４４が形成された上面部４２を含む。開口部４４間の距離は上面部４５の直径の約２倍より小さくてよい。一実施形態では、各開口部４４は、直径約２．０μｍの上開口部４５と直径約１．５μｍの底面４７とを有し得る。さらに開口部４４の中心間の距離は約３．５μｍであり得る。図６に示すように、開口部は実質的に円形状の断面を有し得、六角形状パターンで形成し得る。しかし開口部４４は、様々なタイプ／形状の断面パターンの１以上の任意の組み合わせを含み得、任意のタイプのパターンを形成し得ることが理解される。

パターン化された表面４０Ａ、４０Ｂは任意の方法を用いて形成し得る。例えばサファイアまたはＡｌＮなどで形成された基板１２（図１）の場合は、パターン化された表面４０Ａ、４０Ｂはリソグラフィとエッチングの組み合わせを用いて形成し得る。一実施形態では、パターン化された表面４０Ａは、フォトリソグラフィと湿式のケミカルエッチングとを用いて形成する。しかし他のタイプのリソグラフィ、例えば電子ビームおよび／またはステッパなど、および／または他のタイプのエッチング、例えば乾式エッチングも用い得ることが理解される。

素子１０（図１）は以下のように製造する。基板１２のパターン化された表面４０上に直接バッファ層１４（図１）などの半導体層を形成する。一実施形態では層１４はＩＩＩ族窒化物層、例えばＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮおよび／またはＡｌＧａＩｎＢＮなどを含み、これをパターン化された表面４０（図１）上に直接成長させる。パターン化された表面４０上に直接層１４を成長させることにより、層１４は材料の単結晶層を含むことができる。

層１４は任意の方法を用いて形成し得る。一実施形態では、エピタキシャルプロセスを用いて基板１２のパターン化された表面４０上に直接層１４を成長させる。エピタキシャルプロセスは層１４の横方向の成長に有利である。一実施形態では、ＩＩＩ族窒化物層１４の成長に用いるエピタキシャルプロセスは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハイブリッド気相成長法（ＨＶＰＥ）、ならびにＭＯＣＶＤ、ＭＢＥおよびＨＶＰＥのいずれかの改変バージョンからなる群より選択される材料堆積プロセスを含む。さらにエピタキシャルプロセスは、摂氏約４００度と摂氏約１５００度との間の温度、および／または約１×１０^−５Ｔｏｒｒと約１０００Ｔｏｒｒとの間の圧力などで実施し得る。より具体的な実施形態では、温度は摂氏約１０００度と摂氏約１３００度の間であり、圧力は約２０Ｔｏｒｒと約１００Ｔｏｒｒとの間である。温度および圧力はエピタキシャルプロセス中に変化し得る。さらにエピタキシャルプロセスでは、成長チャンバ内におけるアンモニアとＩＩＩ族元素とのフラックス比が約１と１００００との間であり得る。より具体的な実施形態では、フラックス比は約２５０と５０００との間であり、エピタキシャルプロセス中に変化し得る。

一実施形態では、パターン化された表面４０の１以上の属性は、バッファ層１４および／または光取出し要件の１以上の成長属性に基づいて構成される。これに関して、図７は一実施形態による基板１２とバッファ層１４との間の例示的界面を模式的に示す。この場合、基板１２のパターン化された表面４０Ａは、本明細書に記載する複数の凸領域４６を用いて形成し得る。しかしパターン化された表面４０Ｂ（図５および図６）を形成する際にも同様の要件を用い得ることが理解される。いずれにしても、開口部４４は互いに隣接する凸領域４６の上面部４２間の距離Ｄを構成し得、距離Ｄはバッファ層１４の合着が望まれる角度θおよび高さＨに基づいて選択し得る。一実施形態では距離Ｄは、Ｄ／２＝Ｈ^*ｔａｎθなる式を満たすように選択される。サファイアで形成された基板１２と窒化アルミニウムを含むバッファ層１４の場合、角度θは約１０度であり得、高さＨは約４．２５μｍであり得る。このような高さＨは、バッファ層１４内の転位の一部をバッファ層１４の両側まで駆動し得る。この場合、距離Ｄは約１．５μｍであり得る。凸領域４６の上面部４２の幅ｄは、ほぼ距離Ｄ以上となるように選択され、例えばバッファ層１４の成長が、開口部４４内で成長するバッファ層１４内のいずれかの材料４９に支配されることを防止するようになっている。一実施形態では、幅ｄは約２μｍであり得る。しかし高さＨは、エピ層がある厚さ（例えば１０μｍ）を超える前に合着し、応力の蓄積を低減する／最小限にするように選択し得ることが理解される。

いずれの場合についても図８および図９に、一実施形態によるパターン化された表面４０（図１）上に層１４（図１）をそれぞれ３μｍおよび５μｍ成長させた後、二次元スキャンした結果を示す。一実施形態では、層１４は、横方向の成長速度を高めるのに有利な成長条件を用いてサファイア基板１２（図１）上に成長させたＡｌＮを含み得る。図８および図９に示すように、基板１２のパターン化された表面４０上に成長した層１４の領域（例えば島状部）は凝結して単一層になっている。これに関して図９に示すように、５μｍの成長の後、ほぼ完全な凝結が達成されている。

一実施形態では、基板１２の表面は複数のパターンを含み得る。例えば図１０は、第３の実施形態による基板１２の例示的パターン化された表面の二次元平面図である。この場合、基板１２は絶縁材料により形成された複数のストライプ、例えばストライプ７０Ａおよび７０Ｂを含む。一実施形態では絶縁材料は二酸化シリコンを含む。図示するように、ストライプ７０Ａおよび７０Ｂは複数の領域、例えば領域７２Ａおよび７２Ｂを形成し得る。領域７２Ａおよび７２Ｂは各々、ストライプ７０Ａおよび７０Ｂによって別の領域から絶縁されている。各領域７２Ａ、７２Ｂは、本明細書に記載するように構成されたパターン化された表面を含み得る。さらに複数の領域７２Ａおよび７２Ｂは、異なる方法を用いて形成された、および／または異なる属性を有する、パターン化された表面を含み得る。このように各領域７２Ａ、７２Ｂは、横方向のエピタキシャル過剰成長、選択的領域成長、および／または選択的多結晶成長などによる応力低減に適した構造を含み得る。

図１に戻って、素子１０は活性領域１８の第１の表面上に少なくとも部分的に反射性の層を１以上含むことができ、活性領域１８の反対側の表面にパターン化された表面５０Ａ〜５０Ｂを有する層を１以上含み得る。活性領域１８によって発生した放射はこれらの層を通って素子１０の外部に出射し得る。図示するように異形表面（profiled surface）５０Ａ〜５０Ｂの各々は、互いに隣接する２層間の界面および／または素子１０と周囲環境との間の界面に境界を提供するように構成される。後者の界面は実質的に平滑ではなく不均一であるか、または凹凸を有する。一実施形態では素子１０は、屈折率が突然変化する（屈折率の差が約５パーセント以上である）各界面に異形表面（profiled surface）５０Ａ〜５０Ｂを含み得る。例えば本明細書に記載するように、基板１２はサファイアで形成することができ、バッファ層１４はＡｌＮで形成することができ、クラッド層１６はＡｌＧａＮで形成することができる。例示的対象波長に対する、これらの材料の屈折率はそれぞれ１．８、２．３および２．５であり得る。これに関して、図示する素子１０は基板１２と環境との間の界面（約１の屈折率を有する）にパターン化された表面５０Ａを含み、ｎ型クラッド層１６とバッファ層１４との間の界面にパターン化された表面５０Ｂを含む。この場合、バッファ層１４は、２つの異なる屈折率を有する２つの材料間に挿入されて屈折率の変化をよりなだらかにする光取出し膜として作用し得る。

素子１０の様々な実施形態は、１以上の任意の界面の組み合わせにおいて、本明細書に記載するように構成された異形表面（profiled surface）を含み得ることが理解される。これに関して、異形表面（profiled surface）は任意のタイプのＩＩＩ属窒化物系半導体系、例えばＡｌＩｎＧａＮまたはＡｌＢＧａＮ半導体合金の表面に含み得る。さらに異形表面（profiled surface）は例えば紫外線透過型ガラス、および／またはＩＩＩ属窒化物系半導体表面上に堆積され、合致する屈折率を有するポリマーなどに含み得る。

異形表面（profiled surface）５０Ａ〜５０Ｂの各々は、対応する少なくとも部分的に透過性の層１２、１４および１６からの放射の取り出しを改善するように構成し得る。素子１０は例えば以下のように動作する。放射は活性領域１８内で発生し、少なくとも部分的に透過性の層１６、１４および１２を透過して素子１０から出射する。異形表面（profiled surface）５０Ｂは、第１の層１６から出射して隣接する層１４に入射する放射の量を、層１２、１４および１６間に実質的に平滑な境界を有する素子に比べて多くするように構成し得る。同様に異形表面（profiled surface）５０Ａは、例えば基板１２を介して素子１０から出射して周囲環境に入射する放射の量を、実質的に平滑な外側表面を有する素子に比べて多くするように構成し得る。

図示するように、異形表面（profiled surface）５０Ａ〜５０Ｂは複数の粗さ要素（roughness elements）、例えば異形表面（profiled surface）５０Ａの一部を構成する粗さ要素（roughness elements）５２Ａおよび５２Ｂを用いて形成し得る。各粗さ要素（roughness elements）５０Ａ、５０Ｂは、光を反射および屈折する追加の表面を提供し、対応する層（例えば基板１２）からの光の取出しを容易にするように構成し得る。一実施形態では、大きな粗さ要素（roughness elements）５２Ａおよび５２Ｂは、大きな凹凸のコンポーネントにより形成され、その上に本明細書に記載する小さな凹凸のコンポーネント（component）が設けられる。図示する異形表面（profiled surface）５０Ａ〜５０Ｂの各々は、特定数の粗さ要素（roughness elements）５２Ａおよび５２Ｂを含み、粗さ要素（roughness elements）５２Ａおよび５２Ｂの各々は、互いに実質的に同様に構成されている。しかし異形表面（profiled surface）５０Ａ〜５０Ｂの各々は、構造の任意の組み合わせを有する任意の数の粗さ要素（roughness elements）によって形成し得ることが理解される。

一実施形態では、粗さ要素（roughness elements）５２Ａおよび５２Ｂの大きな凹凸のコンポーネント（component）は、対象波長よりも大きい特徴的規模を有する、異形表面（profiled surface）５０Ａの変形物を提供する。対象波長は、素子１０の動作中に界面を通過することが望まれる放射のピーク波長に基づいて選択し得、可視光、紫外線、深紫外線および／または赤外線などを含む任意の波長範囲内にあり得る。一実施形態では、対象波長は活性領域１８で発生した放射のピーク波長に一致する。より具体的な実施形態では、大きな凹凸のコンポーネント（component）により提供された変形物の特徴的規模は、概して対象波長より大きいオーダー（例えば１０倍）であり、大きな凹凸のコンポーネント（component）の平均高さおよび／または幅に基づいて決定し得る。一実施形態では、大きな凹凸のコンポーネント（component）は互いに匹敵する高さおよび幅（例えば約２〜４マイクロメートル）を有する。大きな凹凸のコンポーネント（component）を含むことにより、ＴＩＲに関連する損失を低減することができる。

さらに、粗さ要素（roughness elements）５２Ａおよび５２Ｂの大きな凹凸のコンポーネント（component）は、対象波長のオーダーの特徴的規模を有する、異形表面（profiled surface）５０Ａの変形物を提供し得る。これに関して、小さな凹凸のコンポーネント（component）により提供された変形物の特徴的規模は、対象波長の約１０パーセントと２００パーセントの間であってもよく、小さな凹凸のコンポーネント（component）の平均高さに基づいて決定し得る。一実施形態では小さな凹凸のコンポーネント（component）の高さは、約１０ナノメートルと１００ナノメートルとの間である。小さな凹凸のコンポーネント（component）を含むことにより、フレネル損失を低減することができる。さらに、小さな凹凸のコンポーネント（component）は光子結晶を形成し得、光子結晶は、対象波長の放射を案内して層からの光の取出しを容易にするように構成される。

図１１Ａおよび図１１Ｂはそれぞれ、一実施形態による例示的粗さ要素（roughness elements）５２および例示的粗さ要素（roughness elements）のモデル６０を示す。図１１Ａに示すように粗さ要素（roughness elements）５２は、大きな凹凸のコンポーネント（component）５４を含み、その上に小さな凹凸のコンポーネント（component）５６が設けられている。図示する大きな凹凸のコンポーネント（component）５４は切頭三角形状の断面を有し、切頭三角形状の断面は、切頭円錐または任意の数の側面を有する切頭角錐に対応し得る。図示する小さな凹凸のコンポーネント（component）５６は材料の一連のピークと谷部とを有する。これら一連のピークおよび谷部は、高さがランダムに変化し、その位置は大きな凹凸のコンポーネント（component）５４の切頭部５５から延びている。小さな凹凸のコンポーネント（component）５６はフレネル損失を低減し得る。図１１Ｂに示すように粗さ要素（roughness elements）のモデル６０は、大きな凹凸のコンポーネント（component）モデル６２と小さな凹凸のコンポーネント（component）モデル６４とを含み得る。大きな凹凸のコンポーネント（component）モデル６２は、例えば切頭円錐形状または切頭角錐形状を有し得る。小さな凹凸のコンポーネント（component）モデル６４は、厚さＬを有する中間層として小さな凹凸のコンポーネント（component）５６に合わせて作成し得る。厚さは小さな凹凸のコンポーネント（component）５６の特徴的規模に対応しており、粗さ要素（roughness elements）５２の最も低い谷部と最も高いピークとの差であり得る。

小さな凹凸のコンポーネント（component）５６は粗さ要素（roughness elements）５２に傾斜型屈折率を導入し得る。特に、小さな凹凸のコンポーネント（component）モデル６４である中間層の厚さＬに沿った所与の高さｈの場合、対応する屈折率は、粗さ要素（roughness elements）５２を形成する材料の屈折率と粗さ要素（roughness elements）５２に隣接する材料（例えば粗さ要素（roughness elements）５２から出射した放射が透過する層／環境）の屈折率の平均を計算することにより推測し得る。上記平均には、小さな凹凸のコンポーネント（component）５６の、所与の高さｈにおける部分断面積を重み付けする。

図１に戻って、素子１０、または素子１０を形成する際に用いるヘテロ構造は、パターン化された表面を有する基板１２、および／または異形表面（profiled surface）を有する１以上の層、例えば層１２、１４および１６を含み、任意の方法を用いて製造し得ることが理解される。例えば発光素子／ヘテロ構造は基板１２を得（例えば形成し、用意し、および／または獲得し）、その上にバッファ層１４を形成し（例えば成長させ、堆積し、および／または付着させ）、バッファ層１４上にｎ型クラッド層１６を形成することにより製造し得る。さらに、任意の方法を用いてｎ型クラッド層１６上に活性領域１８（例えば量子井戸およびバリアを含む）を形成し得る。任意の方法を用いて、活性領域１８上にｐ型層２０を形成し得、ｐ型層２０上にｐ型クラッド層２２を形成し得る。さらに任意の方法を用いて１以上の金属層、コンタクトおよび／または追加の層を形成し得る。さらにコンタクトパッドを介してサブマウントにヘテロ構造／素子を取り付け得る。

発光素子／ヘテロ構造の製造は、一時的層、例えばマスク層を堆積し除去すること、本明細書に記載する基板１２などの１以上の層をパターニングすること、および／または図示しない１以上の追加の層を形成することなどを含み得ることが理解される。これに関して、異形表面（profiled surface）５０Ａ〜５０Ｂは、堆積および／またはエッチングの任意の組み合わせを用いて製造し得る。例えば製造は、材料のナノ規模の物体、例えばナノドットおよび／またはナノロッドなどを選択的に堆積および／またはエッチングして、大型および／または小さな凹凸のコンポーネント（component）を形成することを含み得る。このような堆積および／またはエッチングは、定期的および／または不定期でランダムなパターンを形成するために用い得る。

本明細書では材料の成長および／または素子からの光の取出しを改善する発光素子を設計および／または製造する方法を記載してきたが、本発明の様々な態様は様々な別の実施形態をさらに提供することが理解される。例えば本発明の一態様は、例えばレーザ光発生構造体の光ポンピングおよび／またはレーザパルスを用いたキャリアガス励起の一部として、素子内での光の透過を容易にするように実施し得る。同様に本発明の一実施形態は、光センサまたは光検出器などの検知器に共に実施し得る。いずれの場合も、隣接する層の材料成長を改善するため、および／または所望の方向で光が界面を透過することを容易にするために、素子の外側表面および／または素子の互いに隣接する２層間の界面が異形表面（profiled surface）を含み得る。

一実施形態では本発明は、本明細書に記載したように設計および製造される１以上の素子を含む回路を設計および／または製造する方法を提供する。これに関して図１２は、一実施形態による回路１２６の製造のフロー図を示す。まずユーザは素子設計システム１１０を用いて、本明細書に記載する半導体素子用の素子設計１１２を生成することができる。素子設計１１２はプログラムコードを含み、素子製造システム１１４はプログラムコードを用いて、素子設計１１２によって定義される特徴にしたがって物理的素子１１６の集合（set）を生成し得る。同様に素子設計１１２を回路設計システム１２０（例えば回路で用いるために入手可能なコンポーネント）に提供し得、ユーザはこれを用いて回路設計１２２を生成することができる（例えば１以上の入力および出力を回路に含まれる様々な素子に接続することによる）。回路設計１２２は、本明細書に記載するように設計された素子を含むプログラムコードを含み得る。いずれの場合も回路設計１２２および／または１以上の物理的素子１１６を回路製造システム１２４に提供し得る。回路製造システム１２４は回路設計１２２にしたがって物理的回路１２６を生成し得る。物理的回路１２６は本明細書に記載するように設計された１以上の素子１１６を含み得る。

別の実施形態では本発明は、本明細書に記載する半導体素子１１６を設計する素子設計システム１１０および／または半導体素子１１６を製造する素子製造システム１１４を提供する。この場合、システム１１０および１１４は、本明細書に記載する半導体素子１１６を設計および／または製造する方法を実施するようにプログラムされた汎用コンピュータ装置を含み得る。同様に本発明の一実施形態は、本明細書に記載するように設計および／または製造される少なくとも１つの素子１１６を含む回路１２６を設計する回路設計システム１２６および回路１２６を製造する回路製造システム１２４を提供する。この場合、システム１２０および１２４は、本明細書に記載する半導体素子１１６の少なくとも１つを含む回路１２６を設計および／または製造する方法を実施するようにプログラムされた汎用コンピュータ装置を含み得る。

さらに別の実施形態では本発明は、実行されるとコンピュータシステムが本明細書に記載する半導体素子を設計および／または製造する方法を実施することを可能にする少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能媒体内に固定されたコンピュータプログラムを提供する。例えばコンピュータプログラムは、素子設計システム１１０が本明細書に記載する素子設計１１２を生成することを可能にし得る。これに関してコンピュータ読み取り可能媒体は、コンピュータシステムによって実行されると本明細書に記載するプロセスの一部または全部を実施するプログラムコードを含む。用語「コンピュータ読み取り可能媒体」は、現在公知の、または将来開発される任意の有形表現媒体であって、プログラムコードの保存されたコピーを認知し、再生し、あるいはコンピュータ装置によって通信する元となり得る有形表現媒体を１以上含む。

別の実施形態では本発明は、コンピュータシステムによって実行されると本明細書に記載するプロセスの一部または全部を実施するプログラムコードのコピーを提供する方法を提供する。この場合、コンピュータシステムはプログラムコードのコピーを処理することにより、１以上の特性セットを有するデータ信号のセットを生成し、第２の離れた地点で受け取られるように送信し得、および／または該データ信号のセットにおいてプログラムコードのコピーをエンコードするような様式で変更される。同様に本発明の一実施形態は、本明細書に記載するプロセスの一部または全部を実施するプログラムコートのコピーを獲得する方法を提供する。この方法は、コンピュータシステムが本明細書に記載するデータ信号のセットを受け取ることと、上記データ信号のセットを、少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能媒体内に固定されたコンピュータプログラムのコピーに翻訳することとを含む。いずれにしてもデータ信号のセットは任意のタイプの通信リンクを用いて送受信し得る。

さらに別の実施形態では本発明は、本明細書に記載する半導体素子を設計する素子設計システム１１０および／または半導体素子を製造する素子製造システム１１４を生成する方法を提供する。この場合、コンピュータシステムが得られ（例えば作成され、維持され、入手可能にされ）得て、本明細書に記載するプロセスを実行する１以上のコンポーネントが得られ（例えば作成され、購入され、使用され、改変され）てコンピュータシステムに配置し得る。これに関して配置とは、（１）コンピュータ装置にプログラムコードをインストールすること、（２）コンピュータシステムに１以上の演算デバイスおよび／またはＩ／Ｏデバイスを追加すること、および／または（３）コンピュータシステムに組み込みおよび／または改変をすることによりコンピュータが本明細書に記載するプロセスを実行できるようにすることなどのうち１以上を含み得る。

本発明の様々な態様についての上記説明は例示および説明のためにのみ行ったものであり、本発明の内容を網羅する、または開示した細かな形態に本発明を限定する意図はなく、多くの改変および変更が可能であることが明らかである。当業者には明らかであるこれらの改変および変更は、請求の範囲に定義する本発明の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. 第１面及び前記第１面に対向する第２面に複数の凸領域により形成されたパターン化された表面を含む基板と、
   前記第１面に接して配置されるバッファ層と、
   前記バッファ層の上に配置されるｎ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層の上に配置される発光層と、
   前記発光層の上に配置されるｐ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層に各々電気的に接続されるｎ型電極とｐ型電極とを有する発光素子であって、
   前記バッファ層の前記ｎ型クラッド層側の面は複数の凸領域により形成されたパターン化された表面を有し、
   前記基板の第１面のパターン化された表面に形成された前記複数の凸領域は各々上面部を有し、前記複数の凸領域の間に前記基板に対して平行な面を有しない開口部を含み、
   前記発光層で発光した光は、前記ｎ型クラッド層、前記バッファ層、及び前記基板を透過して前記第２面から出射されることを特徴とする発光素子。
2. 前記上面部の各々は二乗平均平方根粗さが約０．５ナノメートル未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記開口部は、互いに隣接する凸領域の上面部間の距離Ｄを形成し、距離Ｄは，前記上面部の幅ｄより小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記基板がサファイアにより形成されている、請求項１に記載の発光素子。
5. 前記基板がシリコン、ゲルマニウム、炭化シリコン、ＩＩＩ族窒化物およびリチウムガレートのうちの１つにより形成されている、請求項１に記載の発光素子。
6. 前記バッファ層はＩＩＩ族窒化物層であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の発光素子。
7. 前記基板が、複数の二酸化シリコンのストライプをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
8. 前記発光素子は、発光ダイオード、スーパールミネセント発光ダイオードのうちのいずれか１つとして動作するように構成された、請求項１に記載の発光素子。
9. 第１面及び前記第１面に対向する第２面に複数の凸領域により形成されたパターン化された表面を含む基板を用意し、前記第１面に接してバッファ層を積層し、前記バッファ層の前記第１面に接する面と対向する面に複数の凸領域により形成されたパターン化された表面を形成し、前記バッファ層の上にｎ型クラッド層を積層し、前記ｎ型クラッド層の上に発光層を積層し、前記発光層の上にｐ型クラッド層を積層し、前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層に各々電気的に接続されるｎ型電極とｐ型電極とを積層する発光素子の製造方法において、
   前記基板の第１面のパターン化された表面に形成された前記複数の凸領域は各々上面部を有し、前記複数の凸領域の間に前記基板に対して平行な面を有しない開口部を含み、
   前記発光層で発光した光は、前記ｎ型クラッド層、前記バッファ層、及び前記基板を透過して前記第２面から出射されることを特徴とする発光素子の製造方法。
10. 前記バッファ層はＩＩＩ族窒化物層であることを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
11. 前記積層させる工程が、層の横方向成長に有利なエピタキシャルプロセスを用いることを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
12. 前記エピタキシャルプロセスが、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハイブリッド気相成長法（ＨＶＰＥ）、ならびにＭＯＣＶＤ、ＭＢＥおよびＨＶＰＥ又はそれらのＭＯＣＶＤの改変からなる群より選択される材料堆積プロセスを含む、請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
13. 前記積層させる工程が摂氏約４００度と摂氏約１５００度との間の温度で行われる、請求項９に記載の発光素子の製造方法。
14. 前記積層させる工程が約１×５０^-5Ｔｏｒｒと約１０００Ｔｏｒｒとの間の圧力で行われる、請求項９に記載の発光素子の製造方法。
15. 前記積層させる工程が、成長チャンバ内における窒素とＩＩＩ族元素とのフラックス比が約１と約１００００との間である状態で行われる、請求項９に記載の発光素子の製造方法。