JP2003179255A - 光の抽出を改善すべくフリップチップ発光ダイオードに量子井戸を選択的に設ける方法 - Google Patents
光の抽出を改善すべくフリップチップ発光ダイオードに量子井戸を選択的に設ける方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 抽出効率を増加させＬＥＤにより生成される
総積算束を増加させること。 【解決手段】 本発明は、活性領域から反射性オーミッ
クコンタクトまでの間隔を適当に選択することにより、
ＬＥＤの上面からの光抽出を高める。活性領域から反射
性コンタクトまでの間隔を適切に選択することは、上方
に導かれた光の干渉縞を発光のための脱出錐体内に集中
させることになる。適切な間隔は、ほぼλ n／４であ
り、かつ、２.３λn／４≦ｄ≦３.１λn／４（好ましく
は〜２.６λn／４）及び４.０λn／４≦ｄ≦４.９λn／
４（好ましくは〜４.５λn／４）の範囲にある。これに
より光の抽出が高められる。
総積算束を増加させること。 【解決手段】 本発明は、活性領域から反射性オーミッ
クコンタクトまでの間隔を適当に選択することにより、
ＬＥＤの上面からの光抽出を高める。活性領域から反射
性コンタクトまでの間隔を適切に選択することは、上方
に導かれた光の干渉縞を発光のための脱出錐体内に集中
させることになる。適切な間隔は、ほぼλ n／４であ
り、かつ、２.３λn／４≦ｄ≦３.１λn／４（好ましく
は〜２.６λn／４）及び４.０λn／４≦ｄ≦４.９λn／
４（好ましくは〜４.５λn／４）の範囲にある。これに
より光の抽出が高められる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大まかにいえばフ
リップチップ発光ダイオードの分野に関し、より詳細に
は、このようなデバイスの上側から光が引き出される効
率を改善することに関する。
リップチップ発光ダイオードの分野に関し、より詳細に
は、このようなデバイスの上側から光が引き出される効
率を改善することに関する。
【０００２】
【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）は、高輝度を
実現することが可能であり、かつ、特にディスプレイ、
照明、表示器（indicator）、プリンタ、光学ディスク
読取部を含む多数のアプリケーションを有することが可
能な、高耐久性を有するソリッドステート光源である。
ＬＥＤは、１つの面における反射性オーミックコンタク
ト及び第２のオーミックコンタクトと、反対の面として
ＬＥＤが発した光に対して透過性を有する基層と、を有
した「フリップチップ」デザインを含む、様々な幾何学
的な構造で製造される。典型的には、反射性オーミック
コンタクトは正コンタクト（アノード）であり、他方の
コンタクトは負コンタクト（カソード）である。これ
は、典型的なＬＥＤ材料における正孔（正の電荷担体[c
harge carrier]）の拡散長が電子（負の電荷担体[charg
e carrier]）の拡散長より短いからである。よって、ほ
とんど伝導性を有しないｐ層が、ＬＥＤの大面積を覆う
必要がある。電子の拡散長が長いことによって、実際に
は、制限された表面積の一面に電子を比較的に小さいコ
ンタクトにより注入する。第２のオーミックコンタクト
は、ＬＥＤから発する光に対してほとんど干渉しないよ
うにｎ型層に隣接する凹部（recess）に付与される。
実現することが可能であり、かつ、特にディスプレイ、
照明、表示器（indicator）、プリンタ、光学ディスク
読取部を含む多数のアプリケーションを有することが可
能な、高耐久性を有するソリッドステート光源である。
ＬＥＤは、１つの面における反射性オーミックコンタク
ト及び第２のオーミックコンタクトと、反対の面として
ＬＥＤが発した光に対して透過性を有する基層と、を有
した「フリップチップ」デザインを含む、様々な幾何学
的な構造で製造される。典型的には、反射性オーミック
コンタクトは正コンタクト（アノード）であり、他方の
コンタクトは負コンタクト（カソード）である。これ
は、典型的なＬＥＤ材料における正孔（正の電荷担体[c
harge carrier]）の拡散長が電子（負の電荷担体[charg
e carrier]）の拡散長より短いからである。よって、ほ
とんど伝導性を有しないｐ層が、ＬＥＤの大面積を覆う
必要がある。電子の拡散長が長いことによって、実際に
は、制限された表面積の一面に電子を比較的に小さいコ
ンタクトにより注入する。第２のオーミックコンタクト
は、ＬＥＤから発する光に対してほとんど干渉しないよ
うにｎ型層に隣接する凹部（recess）に付与される。
【０００３】ＬＥＤから発せられる光の総量（すなわち
総積算束［total integrated flux］）は、デバイスの
側面から発せられる積算束と、該デバイスの上面から
（基層の上方に）発せられる積算束と、を加えたもので
ある。側面から発した光（side-emitted light）は、典
型的には、反射性表面により形成された導波管（wavegu
ide）と、様々な屈折率を有する様々なデバイス層と、
によってデバイスの側面に導かれる。導波された（wave
guided）光は、典型的には、デバイスの側面までのパス
において数度反射するので、反射するごとに強度を消失
する。加えて、活性領域を通過する光は吸収されうる。
よって、最初のパスにおいてデバイスの上面からできる
だけ多くの光を抽出することが効果的であり、これが、
内部損失（internal loss）を低減し、かつ、総積算束
を増加させることにつながる。
総積算束［total integrated flux］）は、デバイスの
側面から発せられる積算束と、該デバイスの上面から
（基層の上方に）発せられる積算束と、を加えたもので
ある。側面から発した光（side-emitted light）は、典
型的には、反射性表面により形成された導波管（wavegu
ide）と、様々な屈折率を有する様々なデバイス層と、
によってデバイスの側面に導かれる。導波された（wave
guided）光は、典型的には、デバイスの側面までのパス
において数度反射するので、反射するごとに強度を消失
する。加えて、活性領域を通過する光は吸収されうる。
よって、最初のパスにおいてデバイスの上面からできる
だけ多くの光を抽出することが効果的であり、これが、
内部損失（internal loss）を低減し、かつ、総積算束
を増加させることにつながる。
【０００４】フリップチップＬＥＤは、活性領域の近く
に「上部脱出錐体（top escape cone）」を有してお
り、ＬＥＤ内から上面に衝突して上記脱出錐体内に存在
している光線（light beam）がデバイスの上面から直接
出るようになっている。言葉を節約するために、本発明
者は、上部脱出錐体を単に「脱出錐体」と称し、これに
より、最大上面発光（maximum topside light emissio
n）をＬＥＤ性能の重要な目標とする。脱出錐体は、デ
バイス内の様々な層の屈折率を含む様々なデバイスパラ
メータにより決定される。上面に衝突しかつ脱出錐体内
にない光線は、全内部反射を受ける。このような内部反
射した光は、典型的には、デバイスの側面から出るか、
又は、さらに内部反射してデバイス内で強度を消失す
る。よって、ＬＥＤの上面から出ていく強度を増加させ
るための１つの手法は、脱出錐体内に存在しかつ上面に
衝突する束を増加させることである。
に「上部脱出錐体（top escape cone）」を有してお
り、ＬＥＤ内から上面に衝突して上記脱出錐体内に存在
している光線（light beam）がデバイスの上面から直接
出るようになっている。言葉を節約するために、本発明
者は、上部脱出錐体を単に「脱出錐体」と称し、これに
より、最大上面発光（maximum topside light emissio
n）をＬＥＤ性能の重要な目標とする。脱出錐体は、デ
バイス内の様々な層の屈折率を含む様々なデバイスパラ
メータにより決定される。上面に衝突しかつ脱出錐体内
にない光線は、全内部反射を受ける。このような内部反
射した光は、典型的には、デバイスの側面から出るか、
又は、さらに内部反射してデバイス内で強度を消失す
る。よって、ＬＥＤの上面から出ていく強度を増加させ
るための１つの手法は、脱出錐体内に存在しかつ上面に
衝突する束を増加させることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】いくつかの構成のフリ
ップチップＬＥＤは、反射性コンタクトに極めて近接し
て設けられた発光活性領域を有する。特に、活性領域の
反射性コンタクトからの分離距離（separation）が、該
活性領域により発せられる光の可干渉距離（coherence
length）のほぼ５０％未満である場合に、干渉縞（inte
rference pattern）が生ずる。このような場合には、活
性領域からＬＥＤの上面の方向へ伝わる光は、活性領域
からの光であって反射性コンタクトに反射した後にＬＥ
Ｄから伝わる光と干渉する。これら２つのパスの干渉縞
によって、ＬＥＤ内から上面に衝突する光の強度に空間
的な変化が生ずることになる。特に、このような空間的
な変化によって、束は、大きな衝突角度（impact angl
e）にシフトしてしまい、脱出錐体の外側に存在するこ
とが多くなる。脱出錐体の外側にあるこのような光は、
上面発光しそこない、デバイスの効率を妨げることにな
る。本発明は、脱出錐体内に光を集中させるために、反
射性コンタクトから適当な距離をおいて量子井戸を配置
することにより、抽出効率を増加させかつＬＥＤにより
生成される総積算束を増加させることに関する。
ップチップＬＥＤは、反射性コンタクトに極めて近接し
て設けられた発光活性領域を有する。特に、活性領域の
反射性コンタクトからの分離距離（separation）が、該
活性領域により発せられる光の可干渉距離（coherence
length）のほぼ５０％未満である場合に、干渉縞（inte
rference pattern）が生ずる。このような場合には、活
性領域からＬＥＤの上面の方向へ伝わる光は、活性領域
からの光であって反射性コンタクトに反射した後にＬＥ
Ｄから伝わる光と干渉する。これら２つのパスの干渉縞
によって、ＬＥＤ内から上面に衝突する光の強度に空間
的な変化が生ずることになる。特に、このような空間的
な変化によって、束は、大きな衝突角度（impact angl
e）にシフトしてしまい、脱出錐体の外側に存在するこ
とが多くなる。脱出錐体の外側にあるこのような光は、
上面発光しそこない、デバイスの効率を妨げることにな
る。本発明は、脱出錐体内に光を集中させるために、反
射性コンタクトから適当な距離をおいて量子井戸を配置
することにより、抽出効率を増加させかつＬＥＤにより
生成される総積算束を増加させることに関する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、１つ以上の層
により発光活性領域から分離された反射性オーミックコ
ンタクトを有する前記発光活性領域を備えたフリップチ
ップＬＥＤに関する。活性領域において生じる電子と正
孔との再結合から発せられる光は、反射性コンタクトに
より反射した光とともに干渉縞（interference pattern
s）を形成する。干渉縞の構造は、活性領域から反射性
コンタクトまでの間隔（spacing）を含む、ＬＥＤの構
造及び材料により、決定される。様々な干渉縞によっ
て、様々な量の光が、発光のための脱出錐体内のデバイ
スの上面に向かって導かれることになる。よって、様々
な間隔を設けることが、様々な量の光がデバイスの上面
から発せられることにつながり、ひいては、様々な光抽
出効率につながる。
により発光活性領域から分離された反射性オーミックコ
ンタクトを有する前記発光活性領域を備えたフリップチ
ップＬＥＤに関する。活性領域において生じる電子と正
孔との再結合から発せられる光は、反射性コンタクトに
より反射した光とともに干渉縞（interference pattern
s）を形成する。干渉縞の構造は、活性領域から反射性
コンタクトまでの間隔（spacing）を含む、ＬＥＤの構
造及び材料により、決定される。様々な干渉縞によっ
て、様々な量の光が、発光のための脱出錐体内のデバイ
スの上面に向かって導かれることになる。よって、様々
な間隔を設けることが、様々な量の光がデバイスの上面
から発せられることにつながり、ひいては、様々な光抽
出効率につながる。
【０００７】本発明は、活性領域から反射性オーミック
コンタクトまでの間隔を適当に選択することによって、
ＬＥＤの上面からの光の抽出を高める。活性領域から反
射性オーミックコンタクトまでの距離を適切に選択する
ことによって、上方に向けられた光の干渉縞が、上面発
光のための脱出錐体内に光を集中させることになる。こ
の干渉縞は、単一のローブ型（single-lobed）になると
は限らないであろう。上面の光抽出を向上させること
は、脱出錐体内にある光強度の多数のローブ（lobe）に
起因しうる。
コンタクトまでの間隔を適当に選択することによって、
ＬＥＤの上面からの光の抽出を高める。活性領域から反
射性オーミックコンタクトまでの距離を適切に選択する
ことによって、上方に向けられた光の干渉縞が、上面発
光のための脱出錐体内に光を集中させることになる。こ
の干渉縞は、単一のローブ型（single-lobed）になると
は限らないであろう。上面の光抽出を向上させること
は、脱出錐体内にある光強度の多数のローブ（lobe）に
起因しうる。
【０００８】ＧａＮベース層、サファイア基層及びカプ
セル化ジェル（encapsulating gel）を有する単一量子
井戸ＩｎＧａＮ活性領域により発せられた５１５ｎｍ
（ナノメータ）の光について、典型的な例を提示する。
向上した上面の光抽出は、０.５λn／４≦ｄ≦１.３λn
／４（好ましくは〜λn／４）、２.３λn／４≦ｄ≦３.
１λn／４（好ましくは〜２.６λn／４）、又は、４.０
λn／４≦ｄ≦４.９λn／４（好ましくは〜４.５λn／
４）の範囲で、活性領域から反射性コンタクトまでの間
隔について、生ずる。ここで、λnは、ベース層におけ
る光の波長、すなわち、上記（ＧａＮの屈折率をほぼ
２.４とし、λn＝５１５ｎｍ／２.４とした）例につい
てはほぼ２１４.６ｎｍである。本発明者は、表記上、
「…にほぼ等しい」を「〜…」で表現し、「…未満又は
…にほぼ等しい」を「≦…」で表現する。光学的に均一
でないベース層に対する一般化（generalization）につ
いて説明する。かかる場合には、λnを光学的距離に関
連させ、又は、分離距離（separation）を光学的距離で
記載することが便利である。さらに、多層量子井戸を有
する活性領域に対する一般化についても説明する。
セル化ジェル（encapsulating gel）を有する単一量子
井戸ＩｎＧａＮ活性領域により発せられた５１５ｎｍ
（ナノメータ）の光について、典型的な例を提示する。
向上した上面の光抽出は、０.５λn／４≦ｄ≦１.３λn
／４（好ましくは〜λn／４）、２.３λn／４≦ｄ≦３.
１λn／４（好ましくは〜２.６λn／４）、又は、４.０
λn／４≦ｄ≦４.９λn／４（好ましくは〜４.５λn／
４）の範囲で、活性領域から反射性コンタクトまでの間
隔について、生ずる。ここで、λnは、ベース層におけ
る光の波長、すなわち、上記（ＧａＮの屈折率をほぼ
２.４とし、λn＝５１５ｎｍ／２.４とした）例につい
てはほぼ２１４.６ｎｍである。本発明者は、表記上、
「…にほぼ等しい」を「〜…」で表現し、「…未満又は
…にほぼ等しい」を「≦…」で表現する。光学的に均一
でないベース層に対する一般化（generalization）につ
いて説明する。かかる場合には、λnを光学的距離に関
連させ、又は、分離距離（separation）を光学的距離で
記載することが便利である。さらに、多層量子井戸を有
する活性領域に対する一般化についても説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】本明細書で参照する添付図面は、
共通した尺度を有していない。図１は、ベース層３によ
り分離された発光活性領域１及び透明な基層２を備えた
典型的なフリップチップＬＥＤの一部を示す。図１に示
された層は、概略的なものにすぎず、共通の尺度を有す
るようには描かれていない。本発明者は、図１に示すよ
うなＧａＮベース層を有するサファイア基層の上におけ
るＡｌＩｎＧａＮフリップチップＬＥＤの実例を考え
る。
共通した尺度を有していない。図１は、ベース層３によ
り分離された発光活性領域１及び透明な基層２を備えた
典型的なフリップチップＬＥＤの一部を示す。図１に示
された層は、概略的なものにすぎず、共通の尺度を有す
るようには描かれていない。本発明者は、図１に示すよ
うなＧａＮベース層を有するサファイア基層の上におけ
るＡｌＩｎＧａＮフリップチップＬＥＤの実例を考え
る。
【００１０】本発明は、この実例で説明する特定の材料
に限定されるものではない。デバイスの所望発光波長及
びその他の性能特性によって、ＬＥＤを製造する際に
は、多数通りで組み合わせた複数の材料を用いることが
可能である。活性領域は、ＡｌＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎ
ＧａＰに加えて当該分野において既知である他の材料を
含むことができる。ＡｌＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＰ
についての典型的な化学量論（stoichiometry）は、Ａ
ｌxＩｎyＧａzＮ及びＡｌxＩｎyＧａzＰである。ここ
で、ｘ、ｙ及びｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ
≦１及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす。
に限定されるものではない。デバイスの所望発光波長及
びその他の性能特性によって、ＬＥＤを製造する際に
は、多数通りで組み合わせた複数の材料を用いることが
可能である。活性領域は、ＡｌＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎ
ＧａＰに加えて当該分野において既知である他の材料を
含むことができる。ＡｌＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＰ
についての典型的な化学量論（stoichiometry）は、Ａ
ｌxＩｎyＧａzＮ及びＡｌxＩｎyＧａzＰである。ここ
で、ｘ、ｙ及びｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ
≦１及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす。
【００１１】また、炭化珪素（ＳｉＣ）及び燐化ガリウ
ム（ＧａＰ）も、本明細書で説明する例において用いら
れるサファイアに類似した透明な基層材料として用いら
れてきている。ベース層は、本明細書で説明するＧａＮ
だけでなく、ＩｎＡｌＰ及び当該分野において既知であ
る他のベース層を含むことができる。通常、典型的なＬ
ＥＤにおける層は、全体にわたって単一の組成を有する
のではなく、異なる組成及び性質を有する多数のサブ層
から構成されうる。しかしながら、本発明は、大まかに
いえばこのような層及びサブ層のすべての組み合わせに
適用可能なものである。これは、本発明が、発せられた
光の波長に依存し、発光領域から反射性領域までの間隔
（spacing）に依存し、及び、光がＬＥＤを通り抜ける
間に出会う光学的性質に依存するからである。本明細書
において示す例は、限定を目的としたのではなく説明を
目的としたものであり、典型的又は代表的な一般的ＬＥ
Ｄとなるように意図したものである。
ム（ＧａＰ）も、本明細書で説明する例において用いら
れるサファイアに類似した透明な基層材料として用いら
れてきている。ベース層は、本明細書で説明するＧａＮ
だけでなく、ＩｎＡｌＰ及び当該分野において既知であ
る他のベース層を含むことができる。通常、典型的なＬ
ＥＤにおける層は、全体にわたって単一の組成を有する
のではなく、異なる組成及び性質を有する多数のサブ層
から構成されうる。しかしながら、本発明は、大まかに
いえばこのような層及びサブ層のすべての組み合わせに
適用可能なものである。これは、本発明が、発せられた
光の波長に依存し、発光領域から反射性領域までの間隔
（spacing）に依存し、及び、光がＬＥＤを通り抜ける
間に出会う光学的性質に依存するからである。本明細書
において示す例は、限定を目的としたのではなく説明を
目的としたものであり、典型的又は代表的な一般的ＬＥ
Ｄとなるように意図したものである。
【００１２】ベース層３は、１つ以上の組成サブ層を備
えており、基層と発光活性領域１との間における遷移層
（transition region）として基層２の上に、典型的に
はエピタキシャル成長される。典型的には、ベース層を
備える１つ以上のサブ層を成長させるために金属・有機
化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）が用いられるが、その他の
堆積技術が既知となっており当該分野において用いられ
る。本明細書で説明する特定の実例であるＡｌＩｎＧａ
Ｎ-ＬＥＤについては、ベース層は、典型的には少なく
とも１つのｎドーピングＧａＮの層を含んだIII族窒化
物化合物である。
えており、基層と発光活性領域１との間における遷移層
（transition region）として基層２の上に、典型的に
はエピタキシャル成長される。典型的には、ベース層を
備える１つ以上のサブ層を成長させるために金属・有機
化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）が用いられるが、その他の
堆積技術が既知となっており当該分野において用いられ
る。本明細書で説明する特定の実例であるＡｌＩｎＧａ
Ｎ-ＬＥＤについては、ベース層は、典型的には少なく
とも１つのｎドーピングＧａＮの層を含んだIII族窒化
物化合物である。
【００１３】反射性の正オーミックコンタクト４は、活
性領域１から分離距離（separation）ｄだけ離れて存在
しており、活性領域１と該コンタクト４との間に存在す
る１つ以上のｐ型層５を有する。層５は、１つの層を備
えることができるし、サブ層ごとに異なる組成、ドーピ
ング特性及び屈折率を有する多数のサブ層を備えること
ができるし、又は、層５の厚さ全体を通して、組成、電
気的性質及び光学的性質を変化させることもできる。層
５は、ｐ型材料に限定されない。Ｎ型層が、全体として
ｐ型伝導性を有する層において１つ以上のサブ層として
含まれうる。全体としてｎ型伝導性を有する層について
も用いることができる。図示及び説明の簡略化のために
かつ本発明を限定しないように、本発明者は、ｐ型伝導
性を有する１つの層５を考える。
性領域１から分離距離（separation）ｄだけ離れて存在
しており、活性領域１と該コンタクト４との間に存在す
る１つ以上のｐ型層５を有する。層５は、１つの層を備
えることができるし、サブ層ごとに異なる組成、ドーピ
ング特性及び屈折率を有する多数のサブ層を備えること
ができるし、又は、層５の厚さ全体を通して、組成、電
気的性質及び光学的性質を変化させることもできる。層
５は、ｐ型材料に限定されない。Ｎ型層が、全体として
ｐ型伝導性を有する層において１つ以上のサブ層として
含まれうる。全体としてｎ型伝導性を有する層について
も用いることができる。図示及び説明の簡略化のために
かつ本発明を限定しないように、本発明者は、ｐ型伝導
性を有する１つの層５を考える。
【００１４】活性領域１において発生する電子と正孔と
の再結合から発した光は、透明な基層６に、直接（６
ｄ）導かれうるか、又は、６ｒと示されたビームのよう
にオーミックコンタクト４に反射した後に導かれうる。
活性領域１において発生した光についての可干渉距離
［coherence length］（又はパルス長[pulse length]）
は、ＧａＮにおいては、典型的には約３μｍ（μｍ＝１
０-6ｍ）である。よって、分離距離ｄが可干渉距離（Ｇ
ａＮにおいてはｄ≦１.５μｍ）の約５０％未満である
場合には、直接ビーム（６ｄ）と反射ビーム（６ｒ）と
の間に干渉が発生することが予期される。
の再結合から発した光は、透明な基層６に、直接（６
ｄ）導かれうるか、又は、６ｒと示されたビームのよう
にオーミックコンタクト４に反射した後に導かれうる。
活性領域１において発生した光についての可干渉距離
［coherence length］（又はパルス長[pulse length]）
は、ＧａＮにおいては、典型的には約３μｍ（μｍ＝１
０-6ｍ）である。よって、分離距離ｄが可干渉距離（Ｇ
ａＮにおいてはｄ≦１.５μｍ）の約５０％未満である
場合には、直接ビーム（６ｄ）と反射ビーム（６ｒ）と
の間に干渉が発生することが予期される。
【００１５】図２は、図１のＬＥＤの構造を示し、カプ
セル化ジェル（encapsulating gel）７又はその他のカ
プセル化層（encapsulating layer）を含む。カプセル
化ジェル７については、選択的には、図２に示すように
レンズとして形成することができる。
セル化ジェル（encapsulating gel）７又はその他のカ
プセル化層（encapsulating layer）を含む。カプセル
化ジェル７については、選択的には、図２に示すように
レンズとして形成することができる。
【００１６】活性領域１において発生する光は、上面を
通ってＬＥＤから出ていき、カプセル化ジェル７を通過
するか、又は、図１若しくは図２における水平方向に向
かって導波されて伝播した後にＬＥＤの側面を通して出
ることができる。導波されて伝播した後の側面発光（si
de emission）は、典型的には、活性領域を通過するい
くつかのパスを辿ることを含み、ＬＥＤ内で数回の内部
反射をすることになる。この結果、側面から発した光
は、典型的には、上面から発した光よりも高い減衰を蒙
ることになる。上面及び側面から発したすべての光を集
めてＬＥＤの出力として用いるとしても、可能な限り多
くの光が上部の面を通って発生することが効果的であ
る。よって、本発明の重要な目的は、透明な基層を通っ
て上面から発する、ＬＥＤにより発生されたすべての光
のうちのいくらかを増加させることにより、ＬＥＤから
の光の抽出を増加させることである。上面から発した典
型的な光線は、図２において８として示されている。光
線８は、図２に示すように直接上面から出ることができ
るし、又は、図１におけるビーム６ｒとして示されてい
るようにＬＥＤ内で反射性コンタクトに内部反射した後
に上面から出ることもできる。
通ってＬＥＤから出ていき、カプセル化ジェル７を通過
するか、又は、図１若しくは図２における水平方向に向
かって導波されて伝播した後にＬＥＤの側面を通して出
ることができる。導波されて伝播した後の側面発光（si
de emission）は、典型的には、活性領域を通過するい
くつかのパスを辿ることを含み、ＬＥＤ内で数回の内部
反射をすることになる。この結果、側面から発した光
は、典型的には、上面から発した光よりも高い減衰を蒙
ることになる。上面及び側面から発したすべての光を集
めてＬＥＤの出力として用いるとしても、可能な限り多
くの光が上部の面を通って発生することが効果的であ
る。よって、本発明の重要な目的は、透明な基層を通っ
て上面から発する、ＬＥＤにより発生されたすべての光
のうちのいくらかを増加させることにより、ＬＥＤから
の光の抽出を増加させることである。上面から発した典
型的な光線は、図２において８として示されている。光
線８は、図２に示すように直接上面から出ることができ
るし、又は、図１におけるビーム６ｒとして示されてい
るようにＬＥＤ内で反射性コンタクトに内部反射した後
に上面から出ることもできる。
【００１７】具体的な説明をするために、本発明者は、
全体にわたって実質的に均一な屈折率を有するＧａＮベ
ースについて詳細に考える。均一でない屈折率を有する
ベース層に対する一般化（様々な材料を有し光学的性質
を変化させた多数の層、及び、これと同等のものから生
ずるような）は、ベース層材料の様々な層について加算
又は積分（層ｉの物理的厚さ／層ｉの屈折率）すること
により得られる光学的距離を用いることにより、簡単に
得られる。したがって、均一でない屈折率を有するＧａ
Ｎについて本明細書で示す例は、説明のためのものであ
り、限定するためのものではない。
全体にわたって実質的に均一な屈折率を有するＧａＮベ
ースについて詳細に考える。均一でない屈折率を有する
ベース層に対する一般化（様々な材料を有し光学的性質
を変化させた多数の層、及び、これと同等のものから生
ずるような）は、ベース層材料の様々な層について加算
又は積分（層ｉの物理的厚さ／層ｉの屈折率）すること
により得られる光学的距離を用いることにより、簡単に
得られる。したがって、均一でない屈折率を有するＧａ
Ｎについて本明細書で示す例は、説明のためのものであ
り、限定するためのものではない。
【００１８】活性領域において発生してＬＥＤの上面か
ら出ていく光は、ベース層３、基層２及びカプセル化ジ
ェル７を通過し、図２に示すように各界面において反射
することになる。図１に示す典型的な例については、Ｇ
ａＮベース層は、屈折率ｎ＝２.４を有する。サファイ
アはｎ＝１.８を有し、典型的なカプセル化ジェルはｎ
＝１.５を有する。よって、法線から離れる方向への屈
折が図２に示すように生じているので、光は、基層２か
ら出て法線に対して角度θ3をなしてカプセル化ジェル
７に入ることになる。
ら出ていく光は、ベース層３、基層２及びカプセル化ジ
ェル７を通過し、図２に示すように各界面において反射
することになる。図１に示す典型的な例については、Ｇ
ａＮベース層は、屈折率ｎ＝２.４を有する。サファイ
アはｎ＝１.８を有し、典型的なカプセル化ジェルはｎ
＝１.５を有する。よって、法線から離れる方向への屈
折が図２に示すように生じているので、光は、基層２か
ら出て法線に対して角度θ3をなしてカプセル化ジェル
７に入ることになる。
【００１９】しかしながら、光は、該光が形成された場
所からより低い屈折率（３、２及び７）の領域を連続的
に経てカプセル化ジェル７にまで移動するので、全内部
反射の可能性が各界面において生ずる。すなわち、ビー
ム８があまりに大きな視射角（glancing angle）でより
高い屈折率の面から３−２界面又は２−７界面に衝突し
た場合には、光は、（上部の）隣接する領域を含む、よ
り低い屈折率の材料には入射しない。
所からより低い屈折率（３、２及び７）の領域を連続的
に経てカプセル化ジェル７にまで移動するので、全内部
反射の可能性が各界面において生ずる。すなわち、ビー
ム８があまりに大きな視射角（glancing angle）でより
高い屈折率の面から３−２界面又は２−７界面に衝突し
た場合には、光は、（上部の）隣接する領域を含む、よ
り低い屈折率の材料には入射しない。
【００２０】スネルの法則を図３に適用すれば、ｎ1ｓ
ｉｎθ1＝ｎ2ｓｉｎθ2＝ｎ3ｓｉｎθ3が得られる。脱
出錐体は、θ3＝９０°又はｓｉｎθ1（脱出）＝（ｎ3
／ｎ1）により決定される。
ｉｎθ1＝ｎ2ｓｉｎθ2＝ｎ3ｓｉｎθ3が得られる。脱
出錐体は、θ3＝９０°又はｓｉｎθ1（脱出）＝（ｎ3
／ｎ1）により決定される。
【００２１】上記値をＧａＮ、サファイア及びカプセル
化ジェルについての屈折率に用いれば、θ1（脱出）〜
３８.７°が得られる。よって、ｎ1側からｎ1−ｎ2界面
に衝突する光は、入射角度がθ1（脱出）、約３８.７を
超える場合には、デバイスの上面から出ていかない。
化ジェルについての屈折率に用いれば、θ1（脱出）〜
３８.７°が得られる。よって、ｎ1側からｎ1−ｎ2界面
に衝突する光は、入射角度がθ1（脱出）、約３８.７を
超える場合には、デバイスの上面から出ていかない。
【００２２】全内部反射した光は、ＬＥＤ内に再度導か
れるので、さらに内部反射を受け、さらに減衰する可能
性を有していることにより、側面から発する光として出
ていくか、又は、上面から再び出ていくことになるかも
しれない。どちらの場合においても、上面から発光する
までの途中で全内部反射した光は、さらなる減衰を受
け、ＬＥＤからの発光全体を減少させてしまう。全内部
反射を受ける光を低減することにより（あるいはまた、
脱出錐体に入る光を増加させることにより）、ＬＥＤの
有効な上面発光を増加させることができる。よって、本
発明の重要な目的は、発生した光であって脱出錐体内に
存在する光のいくらかを増加させるべく、反射性表面か
ら活性領域までの間隔を設けることである。
れるので、さらに内部反射を受け、さらに減衰する可能
性を有していることにより、側面から発する光として出
ていくか、又は、上面から再び出ていくことになるかも
しれない。どちらの場合においても、上面から発光する
までの途中で全内部反射した光は、さらなる減衰を受
け、ＬＥＤからの発光全体を減少させてしまう。全内部
反射を受ける光を低減することにより（あるいはまた、
脱出錐体に入る光を増加させることにより）、ＬＥＤの
有効な上面発光を増加させることができる。よって、本
発明の重要な目的は、発生した光であって脱出錐体内に
存在する光のいくらかを増加させるべく、反射性表面か
ら活性領域までの間隔を設けることである。
【００２３】典型的なＬＥＤにおいて生ずる状況が、活
性領域において形成されＬＥＤの上面の方向に直接移動
する光（６ｄ）と反射した後に上面に向かって移動する
光（６ｒ）との間における干渉につながる。このような
干渉は、脱出錐体内でＬＥＤの上面に衝突する光の量に
影響を与え、したがって、ＬＥＤからの上面発光に影響
を与える。干渉縞を取り扱うことによりこの光の強度を
増加させることは、本発明の１つの目的である。ＬＥＤ
により発せられた総積算束は、デバイスの上面から発せ
られた積算束（integrated flux）と、これに加えられ
るデバイスの側面端から発せられる積算束とである。デ
バイスの上面から発せられた束は、図４Ａ及び図４Ｂに
示されている。図４Ａ及び図４Ｂは、図２で定めたＬＥ
Ｄの法線に対する発光方向θ3の関数とした遠距離電磁
界（far-field）の発光強度（又は束）についてのコン
ピュータ生成した例を示す。ｄ＝３０ｎｍ（ｎｍ＝１０
-9ｍ＝０.００１μｍ）を有する図４Ａにおける曲線
「ａ」からｄ＝１８０ｎｍを有する図４Ｂにおける曲線
「ｉ」まで、様々な値のｄが示されている。束の単位
は、角度を有する束の変化のみを問題としているので、
任意なものである。放射パターンは、特に、分離距離
（separation）ｄ、発せられた光の波長、及び、ＬＥＤ
から出る際に光が通過する材料の実効屈折率に依存す
る。放射パターンは、ｄが変化するにつれて明らかに変
化するので、３８.７°の脱出錐体内に存在する束を変
化させる。
性領域において形成されＬＥＤの上面の方向に直接移動
する光（６ｄ）と反射した後に上面に向かって移動する
光（６ｒ）との間における干渉につながる。このような
干渉は、脱出錐体内でＬＥＤの上面に衝突する光の量に
影響を与え、したがって、ＬＥＤからの上面発光に影響
を与える。干渉縞を取り扱うことによりこの光の強度を
増加させることは、本発明の１つの目的である。ＬＥＤ
により発せられた総積算束は、デバイスの上面から発せ
られた積算束（integrated flux）と、これに加えられ
るデバイスの側面端から発せられる積算束とである。デ
バイスの上面から発せられた束は、図４Ａ及び図４Ｂに
示されている。図４Ａ及び図４Ｂは、図２で定めたＬＥ
Ｄの法線に対する発光方向θ3の関数とした遠距離電磁
界（far-field）の発光強度（又は束）についてのコン
ピュータ生成した例を示す。ｄ＝３０ｎｍ（ｎｍ＝１０
-9ｍ＝０.００１μｍ）を有する図４Ａにおける曲線
「ａ」からｄ＝１８０ｎｍを有する図４Ｂにおける曲線
「ｉ」まで、様々な値のｄが示されている。束の単位
は、角度を有する束の変化のみを問題としているので、
任意なものである。放射パターンは、特に、分離距離
（separation）ｄ、発せられた光の波長、及び、ＬＥＤ
から出る際に光が通過する材料の実効屈折率に依存す
る。放射パターンは、ｄが変化するにつれて明らかに変
化するので、３８.７°の脱出錐体内に存在する束を変
化させる。
【００２４】図４Ａ及び図４Ｂは、また、様々な値のｄ
についてのＬＥＤの上面から出ていく総積算束を示して
いる。上面束（topside flux）は、ｄ＝９０ｎｍにおけ
る０.０７（図４Ａの曲線ｇ）からｄ＝４０,５０ｎｍに
おける１.０（図４Ａの曲線ｂ及びｃ）の１０以上の要
素によって変化するようにみえる。よって、反射性コン
タクトに関して活性領域を配置することは、ＬＥＤの上
面から抽出される光に大きな影響を与えうる。
についてのＬＥＤの上面から出ていく総積算束を示して
いる。上面束（topside flux）は、ｄ＝９０ｎｍにおけ
る０.０７（図４Ａの曲線ｇ）からｄ＝４０,５０ｎｍに
おける１.０（図４Ａの曲線ｂ及びｃ）の１０以上の要
素によって変化するようにみえる。よって、反射性コン
タクトに関して活性領域を配置することは、ＬＥＤの上
面から抽出される光に大きな影響を与えうる。
【００２５】図５は、活性領域から反射性コンタクトま
での分離距離（separation）ｄを関数としたＬＥＤデバ
イスの上面から発せられる光についてのコンピュータ生
成した結果を示す。図５に示す結果は、ＧａＮの活性領
域、サファイア基層及び真空中で５１５ｎｍの波長を発
するカプセル化ジェルを有する単一の量子井戸について
示されている。ＧａＮ、サファイア及びジェルについて
の屈折率については、それぞれ、２.４、１.８及び１.
５としている。図５に示す数値的な結果によれば、上面
から発した光における局所最大値は、ほぼ次に示す値の
ｄにおいて生じているということが明らかとなってい
る。 １）ｄ〜λn／４（０.５λn／４≦ｄ≦１.３λn／４） ２）ｄ〜２.６λn／４（２.３λn／４≦ｄ≦３.１λn／４） ３）ｄ〜４.５λn／４（４.０λn／４≦ｄ≦４.９λn／４） 式（１） 式（１）は、上述した特定の例について、すなわち、５
１５ｎｍの光を発しかつｎ1＝２.４、ｎ2＝１.８及びｎ
3＝１.５を有する単一量子井戸構造について、決定され
る。脱出錐体は、ｎ1及びｎ3により決定される。干渉縞
は、λnにより決定される。よって、図５に示したもの
と同様の曲線から数値を抽出することにより式（１）に
類似した好ましい距離に到達するには、ｎ1、ｎ2、ｎ3
及びλnの任意のセットについての簡単な計算をすれば
よい。したがって、本発明によれば、ｎ1、ｎ2、ｎ3及
びλnの任意のセットについての改善された上面発光に
ついての干渉縞を処理することができる。上述したよう
に、図１〜図３に示したデバイスにおけるいくつかの層
は、全体にわたって均一な性質を有する単一の材料で構
成される必要はないが、様々な光学的性質を有する１つ
以上のサブ層から構成されてもよい。ｎ1、ｎ2、ｎ3の
セットは、光が出会う各領域についての実効屈折率を示
しており、（たとえあるにしても）各領域内に存在しう
る様々なサブ層についての屈折率の適当な平均値をと
る。すなわち、ｎ1は、領域３を通過する光が経験する
実効屈折率であり、必ずしも領域３が一定の屈折率を有
するということを示唆しているのではない。同様の平均
値は、変化する可能性のある屈折率を有する他の領域に
もあてはまる。
での分離距離（separation）ｄを関数としたＬＥＤデバ
イスの上面から発せられる光についてのコンピュータ生
成した結果を示す。図５に示す結果は、ＧａＮの活性領
域、サファイア基層及び真空中で５１５ｎｍの波長を発
するカプセル化ジェルを有する単一の量子井戸について
示されている。ＧａＮ、サファイア及びジェルについて
の屈折率については、それぞれ、２.４、１.８及び１.
５としている。図５に示す数値的な結果によれば、上面
から発した光における局所最大値は、ほぼ次に示す値の
ｄにおいて生じているということが明らかとなってい
る。 １）ｄ〜λn／４（０.５λn／４≦ｄ≦１.３λn／４） ２）ｄ〜２.６λn／４（２.３λn／４≦ｄ≦３.１λn／４） ３）ｄ〜４.５λn／４（４.０λn／４≦ｄ≦４.９λn／４） 式（１） 式（１）は、上述した特定の例について、すなわち、５
１５ｎｍの光を発しかつｎ1＝２.４、ｎ2＝１.８及びｎ
3＝１.５を有する単一量子井戸構造について、決定され
る。脱出錐体は、ｎ1及びｎ3により決定される。干渉縞
は、λnにより決定される。よって、図５に示したもの
と同様の曲線から数値を抽出することにより式（１）に
類似した好ましい距離に到達するには、ｎ1、ｎ2、ｎ3
及びλnの任意のセットについての簡単な計算をすれば
よい。したがって、本発明によれば、ｎ1、ｎ2、ｎ3及
びλnの任意のセットについての改善された上面発光に
ついての干渉縞を処理することができる。上述したよう
に、図１〜図３に示したデバイスにおけるいくつかの層
は、全体にわたって均一な性質を有する単一の材料で構
成される必要はないが、様々な光学的性質を有する１つ
以上のサブ層から構成されてもよい。ｎ1、ｎ2、ｎ3の
セットは、光が出会う各領域についての実効屈折率を示
しており、（たとえあるにしても）各領域内に存在しう
る様々なサブ層についての屈折率の適当な平均値をと
る。すなわち、ｎ1は、領域３を通過する光が経験する
実効屈折率であり、必ずしも領域３が一定の屈折率を有
するということを示唆しているのではない。同様の平均
値は、変化する可能性のある屈折率を有する他の領域に
もあてはまる。
【００２６】図４Ｂにおける最大総発光束である０.９
０は、分離距離が１３０ｎｍである曲線「ｄ」について
得られる。総発光束におけるこの最大値は、光が発する
領域の中心垂直軸あたりにピークを有しない放射パター
ンについて発生する、ということが図４Ｂから明らかで
ある。すなわち、束の強度が表面に対して主に垂直とな
るように向けられるように、光が発する領域から反射性
面までに間隔を設ける（図４Ｂにおける０度すなわち
「オン軸［on axis］」）といういうことは、必ずしも
最大総発光束にはつながらない。図４Ｂにおける曲線
「ｆ」は、発せられた放射の著しいオン軸ピークを与え
ているが、総発光束において相当な犠牲を払っている
（すなわち「ｇ」については０.９０であるのに対して
「ｆ」については０.７０である）。よって、オン軸の
発光を改善するように、反射体から、光が発する領域ま
でに間隔を設けることは、ＬＥＤの全輝度を最大とする
ことに対しては、非常に準最適なもの（suboptimal）と
なりうる。
０は、分離距離が１３０ｎｍである曲線「ｄ」について
得られる。総発光束におけるこの最大値は、光が発する
領域の中心垂直軸あたりにピークを有しない放射パター
ンについて発生する、ということが図４Ｂから明らかで
ある。すなわち、束の強度が表面に対して主に垂直とな
るように向けられるように、光が発する領域から反射性
面までに間隔を設ける（図４Ｂにおける０度すなわち
「オン軸［on axis］」）といういうことは、必ずしも
最大総発光束にはつながらない。図４Ｂにおける曲線
「ｆ」は、発せられた放射の著しいオン軸ピークを与え
ているが、総発光束において相当な犠牲を払っている
（すなわち「ｇ」については０.９０であるのに対して
「ｆ」については０.７０である）。よって、オン軸の
発光を改善するように、反射体から、光が発する領域ま
でに間隔を設けることは、ＬＥＤの全輝度を最大とする
ことに対しては、非常に準最適なもの（suboptimal）と
なりうる。
【００２７】これまでに示してきたデータは、５１５ｎ
ｍでの単一量子井戸（ＳＱＷ）活性発光に関する。しか
しながら、本発明は、ＳＱＷに限定されず、多層量子井
戸（ＭＱＷ）活性領域に関連して用いることが可能なも
のである。例えば、ＭＱＷについての輝度の中心は、輝
度の中心から反射性表面までの距離が（ｎ1、ｎ2、ｎ 3
及びλnの任意のセットについて一般化されたような）
式（１）を満たすように決定することが可能なものであ
る。
ｍでの単一量子井戸（ＳＱＷ）活性発光に関する。しか
しながら、本発明は、ＳＱＷに限定されず、多層量子井
戸（ＭＱＷ）活性領域に関連して用いることが可能なも
のである。例えば、ＭＱＷについての輝度の中心は、輝
度の中心から反射性表面までの距離が（ｎ1、ｎ2、ｎ 3
及びλnの任意のセットについて一般化されたような）
式（１）を満たすように決定することが可能なものであ
る。
【００２８】これに代えて（又はこれに加えて）、ＭＱ
Ｗは、各クラスタにおいて１つ以上の量子井戸を含むク
ラスタにおいて存在することができる。このような場合
については、各クラスタの輝度の中心は、（ｎ1、ｎ2、
ｎ3及びλnの任意のセットについて一般化されたよう
な）式（１）を満たすように選択されうる。
Ｗは、各クラスタにおいて１つ以上の量子井戸を含むク
ラスタにおいて存在することができる。このような場合
については、各クラスタの輝度の中心は、（ｎ1、ｎ2、
ｎ3及びλnの任意のセットについて一般化されたよう
な）式（１）を満たすように選択されうる。
【００２９】ある量子井戸において発生した波長は、こ
の量子井戸の組成及び／又は製造条件を変化させること
により変化しうる、といことが知られている。よって、
波長、及び、特定のクラスタの量子井戸発光波長λiに
ついての輝度の中心からの距離が（ｎ1、ｎ2、ｎ3及び
λnの任意のセットについて一般化されたような）式
（１）を満たすように、同一の活性領域において様々な
量子井戸を設けることができる。
の量子井戸の組成及び／又は製造条件を変化させること
により変化しうる、といことが知られている。よって、
波長、及び、特定のクラスタの量子井戸発光波長λiに
ついての輝度の中心からの距離が（ｎ1、ｎ2、ｎ3及び
λnの任意のセットについて一般化されたような）式
（１）を満たすように、同一の活性領域において様々な
量子井戸を設けることができる。
【００３０】（例）図６は、本発明の１つ以上の実施の
形態が用いられうる典型的なＬＥＤの断面概略図（共通
した尺度を有していない）である。この例は、本発明の
１つ以上の実施の形態を効果的に用いる特定のＬＥＤシ
ステムの実例であり、本発明の範囲を図示し又は図示し
ないＬＥＤファミリ（family）のうちの特定のＬＥＤに
限定するものではない。
形態が用いられうる典型的なＬＥＤの断面概略図（共通
した尺度を有していない）である。この例は、本発明の
１つ以上の実施の形態を効果的に用いる特定のＬＥＤシ
ステムの実例であり、本発明の範囲を図示し又は図示し
ないＬＥＤファミリ（family）のうちの特定のＬＥＤに
限定するものではない。
【００３１】図６は、III族窒化物半導体システムを利
用する実施の形態である。ＧａＩｎＡｌＮの連続した層
が、次の順序、すなわち、１）ｎ型ＧａＮ層（ｂ）、
２）この例ではＧａＮバリアによって分離される４つの
ＩｎＧａＮ量子井戸を含む多層量子井戸活性領域
（ｃ）、３）ＡｌＧａＮ ｐ型バリア層（ｃ）、４）ｐ
型ＧａＮコンタクト層（ｅ）、の順序で、サファイア基
層の上に堆積される。ｐ型ＧａＮの最終的な表面（すな
わち、ｅ／ｆ界面の平面）と量子井戸の中心（すなわ
ち、層ｄの中心）との間の光学的分離距離は、ほぼ０.
６５λnとなるように選択される。０.６５λnがこの実
施の形態に関連して効果的に用いられるが、式（１）に
よって与えられるその他のλn値をも用いられうる。
用する実施の形態である。ＧａＩｎＡｌＮの連続した層
が、次の順序、すなわち、１）ｎ型ＧａＮ層（ｂ）、
２）この例ではＧａＮバリアによって分離される４つの
ＩｎＧａＮ量子井戸を含む多層量子井戸活性領域
（ｃ）、３）ＡｌＧａＮ ｐ型バリア層（ｃ）、４）ｐ
型ＧａＮコンタクト層（ｅ）、の順序で、サファイア基
層の上に堆積される。ｐ型ＧａＮの最終的な表面（すな
わち、ｅ／ｆ界面の平面）と量子井戸の中心（すなわ
ち、層ｄの中心）との間の光学的分離距離は、ほぼ０.
６５λnとなるように選択される。０.６５λnがこの実
施の形態に関連して効果的に用いられるが、式（１）に
よって与えられるその他のλn値をも用いられうる。
【００３２】次の構造は、製造しようとする構造及び用
いる材料に適するように選択した周知の蒸着（evaporat
ion）及びフォトリソグラフィック技術により、形成さ
れる。銀の反射性ｐ−コンタクト（ｆ）、図６に示す反
射性コンタクト（ｆ）を囲むＴｉを含む保護層（ｇ）、
メサ（ｍ）、アルミニウムキャップ（ｈ）、アルミニウ
ムｎ−コンタクト（ｋ）、金をベースとした半田パッド
（ｉ）。このチップは、図６に示すオリエンテーション
を反転させたものであり、シリコンサブマウントに半田
付けされる。活性領域（ｃ）で発生した光は、サファイ
ア表面（ａ）を介して抽出される。
いる材料に適するように選択した周知の蒸着（evaporat
ion）及びフォトリソグラフィック技術により、形成さ
れる。銀の反射性ｐ−コンタクト（ｆ）、図６に示す反
射性コンタクト（ｆ）を囲むＴｉを含む保護層（ｇ）、
メサ（ｍ）、アルミニウムキャップ（ｈ）、アルミニウ
ムｎ−コンタクト（ｋ）、金をベースとした半田パッド
（ｉ）。このチップは、図６に示すオリエンテーション
を反転させたものであり、シリコンサブマウントに半田
付けされる。活性領域（ｃ）で発生した光は、サファイ
ア表面（ａ）を介して抽出される。
【００３３】本発明について詳細に説明してきたが、当
業者であれば、本明細書による開示を与えられれば、本
明細書で説明された発明的概念の思想から逸脱すること
なく本発明に変更を施すことが可能である、ということ
を理解できよう。したがって、本発明の範囲は、図示し
説明してきた特定の実施の形態に限定されるものではな
い。
業者であれば、本明細書による開示を与えられれば、本
明細書で説明された発明的概念の思想から逸脱すること
なく本発明に変更を施すことが可能である、ということ
を理解できよう。したがって、本発明の範囲は、図示し
説明してきた特定の実施の形態に限定されるものではな
い。
【００３４】本出願は、１９９９年１２月２２日に出願
された出願番号０９／４６９,６５７号にかかる一部継
続出願であり、引用により本明細書に含められ、請求項
は、共通する内容について合衆国法典第３５巻の第１２
０条に基づき上記出願より優先権を有する。
された出願番号０９／４６９,６５７号にかかる一部継
続出願であり、引用により本明細書に含められ、請求項
は、共通する内容について合衆国法典第３５巻の第１２
０条に基づき上記出願より優先権を有する。
【図１】図１は、透明な基層、ＧａＮベース層、発光活
性領域、厚さｄを有する反射性オーミックコンタクトに
隣接する層、及び、反射性オーミックコンタクトを含む
典型的なフリップチップＬＥＤ構造を示す概略断面図で
ある。
性領域、厚さｄを有する反射性オーミックコンタクトに
隣接する層、及び、反射性オーミックコンタクトを含む
典型的なフリップチップＬＥＤ構造を示す概略断面図で
ある。
【図２】図２は、カプセル化ジェルを含む典型的なフリ
ップチップＬＥＤ及び上面発光の様子を示す概略断面図
である。
ップチップＬＥＤ及び上面発光の様子を示す概略断面図
である。
【図３】図３は、デバイスの上面から出ていく典型的な
光線８が反射する様子に加えて、図２に示したような典
型的なフリップチップＬＥＤを示す概略断面図である。
３つの層の屈折率は、ｎ1、ｎ2、ｎ3により示される。
光線８が反射する様子に加えて、図２に示したような典
型的なフリップチップＬＥＤを示す概略断面図である。
３つの層の屈折率は、ｎ1、ｎ2、ｎ3により示される。
【図４Ａ】図４Ａは、キャプション（単位：ｎｍ）によ
り示されているような様々な分離距離ｄについての、図
１に示されたＬＥＤから発せられる光の束の角度分布を
示す図である。ＧａＮベース層（ｎ1＝２.４）、サファ
イア基層（ｎ2＝１.８）及びジェルカプセル化層（ｎ3
＝１.５）を有するλ＝５１５ｎｍについてのデータが
与えられている。
り示されているような様々な分離距離ｄについての、図
１に示されたＬＥＤから発せられる光の束の角度分布を
示す図である。ＧａＮベース層（ｎ1＝２.４）、サファ
イア基層（ｎ2＝１.８）及びジェルカプセル化層（ｎ3
＝１.５）を有するλ＝５１５ｎｍについてのデータが
与えられている。
【図４Ｂ】図４Ｂは、キャプション（単位：ｎｍ）によ
り示されているような様々な分離距離ｄについての、図
１に示されたＬＥＤから発せられる光の束の角度分布を
示す図である。ＧａＮベース層（ｎ1＝２.４）、サファ
イア基層（ｎ2＝１.８）及びジェルカプセル化層（ｎ3
＝１.５）を有するλ＝５１５ｎｍについてのデータが
与えられている。
り示されているような様々な分離距離ｄについての、図
１に示されたＬＥＤから発せられる光の束の角度分布を
示す図である。ＧａＮベース層（ｎ1＝２.４）、サファ
イア基層（ｎ2＝１.８）及びジェルカプセル化層（ｎ3
＝１.５）を有するλ＝５１５ｎｍについてのデータが
与えられている。
【図５】図５は、活性領域から反射性コンタクトまでの
間の分離距離ｄ（単位：ｎｍ）を関数とした、ＬＥＤの
上面から発せられる束を示す図である。
間の分離距離ｄ（単位：ｎｍ）を関数とした、ＬＥＤの
上面から発せられる束を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態を含む典型的なＬ
ＥＤを示す切断断面図である。
ＥＤを示す切断断面図である。
フロントページの続き
(72)発明者 ユ−チェン シェン
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
95126 サン ホセ ジ アラメーダ
1322 ＃254
(72)発明者 マイケル アール クレイムス
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
94041 マウンテン ビュー フロント
レーン 550
Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA04 CA05 CA40 DA04
DA09
Claims (30)
- 【請求項１】 発光ダイオードのための構造であって、 ａ）光を発することが可能な、実質的に平坦な発光領域
と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離によ
り分離された反射体と、を具備し、 前記分離距離は、前記発せられた光の直接ビームと反射
したビームとの間の界面が発光を前記発光ダイオードの
上部脱出錐体に集中させるようになっていることを特徴
とする構造。 - 【請求項２】 発光ダイオードのための構造であって、 ａ）波長λnの光を発することが可能な、実質的に平坦
な発光領域と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離ｄに
より分離された反射体であって、ｄはほぼ０.５λn／４
からほぼ１.３λn／４の範囲にある反射体と、を具備
し、 λnは、前記発光領域を前記反射体から分離する領域内
にある前記発光領域により発せられた前記光の波長であ
ることを特徴とする構造。 - 【請求項３】 前記分離距離ｄはほぼλn／４である請
求項２に記載の発光ダイオードのための構造。 - 【請求項４】 発光ダイオードのための構造であって、 ａ）波長λnの光を発することが可能な、実質的に平坦
な発光領域と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離ｄに
より分離された反射体であって、ｄはほぼ２.３λn／４
からほぼ３.１λn／４の範囲にある反射体と、を具備
し、 λnは、前記発光領域を前記反射体から分離する領域内
にある前記発光領域により発せられた前記光の波長であ
ることを特徴とする構造。 - 【請求項５】 前記分離距離ｄは、ほぼ２.６λn／４で
ある請求項４に記載の発光ダイオードのための構造。 - 【請求項６】 発光ダイオードのための構造であって、 ａ）波長λnの光を発することが可能な、実質的に平坦
な発光領域と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離ｄに
より分離された反射体であって、ｄは、ほぼ４.０λn／
４からほぼ４.９λn／４の範囲にある反射体と、を具備
し、 λnは、前記発光領域を前記反射体から分離する領域内
にある前記発光領域により発せられた前記光の波長であ
ることを特徴とする構造。 - 【請求項７】 前記分離距離ｄは、ほぼ４.５λn／４で
ある請求項６に記載の発光ダイオードのための構造。 - 【請求項８】 前記発光領域は、ｘ、ｙ及びｚが０≦ｘ
≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満
たす、ＡｌxＩｎyＧａzＮを含む請求項１から請求項７
のいずれかに記載の発光ダイオードのための構造。 - 【請求項９】 前記発光領域は、多層量子井戸を含む請
求項１から請求項７のいずれかに記載の発光ダイオード
のための構造。 - 【請求項１０】 前記距離ｄは、前記多層量子井戸にお
ける輝度中心から前記反射体までである請求項９に記載
の発光ダイオードのための構造。 - 【請求項１１】 発光ダイオードの上面から光を抽出す
る方法であって、 ａ）波長λnの光を発光することが可能な、実質的に平
坦な発光領域を設ける工程と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離ｄに
より分離された反射体であって、ｄはほぼ０.５λn／４
からほぼ１.３λn／４の範囲にある反射体、を設ける工
程と、を具備し、 λnは、前記発光領域を前記反射体から分離する領域内
にある前記発光領域により発せられた前記光の波長であ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項１２】 前記ｄはほぼλn／４である請求項１
１に記載の方法。 - 【請求項１３】 発光ダイオードの上面から光を抽出す
る方法であって、 ａ）波長λnの光を発することが可能な、実質的に平坦
な発光領域を設ける工程と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離ｄに
より分離された反射体であって、ｄは、ほぼ２.３λn／
４からほぼ３.１λn／４の範囲にある反射体、を設ける
工程と、を具備し、 λnは、前記発光領域を前記反射体から分離する領域内
にある前記発光領域により発せられた前記光の波長であ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項１４】 前記分離距離ｄは、ほぼ２.６λn／４
である請求項１３に記載の方法。 - 【請求項１５】 発光ダイオードの上面から光を抽出す
る方法であって、 ａ）波長λnの光を発することが可能な、実質的に平坦
な発光領域を設ける工程と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離ｄに
より分離された反射体であって、ｄは、ほぼ４.０λn／
４からほぼ４.９λn／４の範囲にある反射体、を設ける
工程と、を具備し、 λnは、前記発光領域を前記反射体から分離する領域内
にある前記発光領域により発せられた前記光の波長であ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項１６】 前記分離距離ｄは、ほぼ４.５λn／４
である請求項１５に記載の方法。 - 【請求項１７】 前記発光領域は、ｘ、ｙ及びｚが０≦
ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１を
満たす、ＡｌxＩｎyＧａzＮを含む請求項１１から請求
項１６のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１８】 前記発光領域は、多層量子井戸を含む
請求項１１から請求項１６のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１９】 前記距離ｄは、前記多層量子井戸にお
ける輝度中心から前記反射体までである請求項１８に記
載の方法。 - 【請求項２０】 製品としての発光ダイオードから発せ
られる光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求
項１１から請求項１６のいずれかに記載の方法により生
成されるパターン。 - 【請求項２１】 製品としての発光ダイオードから発せ
られる光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求
項１７に記載の方法により生成されるパターン。 - 【請求項２２】 製品としての発光ダイオードから発せ
られる光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求
項１８に記載の方法により生成されるパターン。 - 【請求項２３】 製品としての発光ダイオードから発せ
られる光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求
項１９に記載の方法により生成されるパターン。 - 【請求項２４】 ａ）実質的に平坦な面を有するサファ
イア基層と、 ｂ）該サファイア基層の前記実質的に平坦な面の上のｎ
型ＧａＮ層と、 ｃ）該ｎ型ＧａＮ層の上の多層量子井戸活性領域と、 ｄ）該活性領域の上のＡｌＧａＮｐ型バリア層と、 ｅ）該バリア層の上のｐ型ＧａＮコンタクト層と、 ｆ）該コンタクト層との実質的に平坦な界面を有した、
該コンタクト層の上における反射性ｐ−コンタクトと、 ｇ）該反射性ｐ−コンタクトを囲む保護層と、 ｈ）該保護層の上のアルミニウムキャップと、 ｉ）前記ｎ型ＧａＮ層の上のｎ−コンタクトと、 ｊ）前記アルミニウムキャップの上の少なくとも１つの
第１半田パッド、及び、前記ｎ−コンタクトの上の少な
くとも１つの第２半田パッドと、を具備し、 前記活性領域の中心から前記界面までの光学的距離は、
ほぼ０.６５λnであり、λnは、前記活性領域を前記界
面から分離する領域内にある前記活性領域により発せら
れる光の波長である、ことを特徴とする発光ダイオー
ド。 - 【請求項２５】 前記多層量子井戸活性領域は、ＧａＮ
バリア層により分離される４つのＩｎＧａＮ量子井戸を
含む請求項２４に記載の発光ダイオード。 - 【請求項２６】 ａ）実質的に平坦な面を有するサファ
イア基層と、 ｂ）該サファイア基層の前記実質的に平坦な面の上のｎ
型ＧａＮ層と、 ｃ）前記ｎ型ＧａＮ層の上の多層量子井戸活性領域と、 ｄ）該活性領域の上のＡｌＧａＮ ｐ型バリア層と、 ｅ）該バリア層の上のｐ型ＧａＮコンタクト層と、 ｆ）該コンタクト層との実質的に平坦な界面を有した、
該コンタクト層の上の反射性ｐ−コンタクトと、 ｇ）該反射性ｐ−コンタクトを囲む保護層と、 ｈ）該保護層の上のアルミニウムキャップと、 ｉ）前記ｎ型ＧａＮ層の上のｎ−コンタクトと、 ｊ）前記アルミニウムキャップの上の少なくとも１つの
第１半田パッド、及び、前記ｎ−コンタクトの上の少な
くとも１つの第２半田パッドと、を具備し、 前記活性領域の中心から前記界面までの光学的距離は、
ほぼ１.１２５λnであり、λnは、前記活性領域を前記
界面から分離する領域内にある前記活性領域により発せ
られた前記光の波長である、ことを特徴とする発光ダイ
オード。 - 【請求項２７】 前記多層量子井戸活性領域は、ＧａＮ
バリア層により分離される４つのＩｎＧａＮ量子井戸を
含む請求項２６に記載の発光ダイオード。 - 【請求項２８】 ａ）実質的に平坦な面を有するサファ
イア基層と、 ｂ）該サファイア基層の前記実質的に平坦な面の上のｎ
型ＧａＮ層と、 ｃ）前記ｎ型ＧａＮ層の上の多層量子井戸活性領域と、 ｄ）該活性領域の上のＡｌＧａＮ ｐ型バリア層と、 ｅ）該バリア層の上のｐ型ＧａＮコンタクト層と、 ｆ）該コンタクト層との実質的に平坦な界面を有した、
該コンタクト層の上の反射性ｐ−コンタクトと、 ｇ）該反射性ｐ−コンタクトを囲む保護層と、 ｈ）該保護層の上のアルミニウムキャップと、 ｉ）前記ｎ型ＧａＮ層の上のｎ−コンタクトと、 ｊ）前記アルミニウムキャップの上の少なくとも１つの
第１半田パッド、及び、前記ｎ−コンタクトの上の少な
くとも１つの第２半田パッドと、を具備し、 前記活性領域の中心から前記界面までの光学的距離は、
ほぼ０.２５λnであり、λnは、前記活性領域を前記界
面から分離する領域内にある前記活性領域により発せら
れた前記光の波長である、ことを特徴とする発光ダイオ
ード。 - 【請求項２９】 前記多層量子井戸活性領域は、ＧａＮ
バリア層により分離される４つのＩｎＧａＮ量子井戸を
含む請求項２８に記載の発光ダイオード。 - 【請求項３０】 発光ダイオードのための構造であっ
て、 ａ）光を発することが可能な、実質的に平坦な発光領域
と、 ｂ）前記光を反射させ、前記発光領域から分離距離によ
り分離された反射体と、を具備し、 前記分離距離は、前記発せられた光の直接ビームと反射
したビームとの間の界面が発光を前記発光ダイオードの
上部脱出錐体に集中させ前記発光領域の中心垂直軸には
集中させないようになっている、ことを特徴とする構
造。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/977,144 US20020047131A1 (en) | 1999-12-22 | 2001-10-11 | Selective placement of quantum wells in flipchip light emitting diodes for improved light extraction |
| US09/977144 | 2001-10-11 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003179255A true JP2003179255A (ja) | 2003-06-27 |
Family
ID=25524870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002297409A Pending JP2003179255A (ja) | 2001-10-11 | 2002-10-10 | 光の抽出を改善すべくフリップチップ発光ダイオードに量子井戸を選択的に設ける方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020047131A1 (ja) |
| JP (1) | JP2003179255A (ja) |
| DE (1) | DE10246891A1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2007533143A (ja) * | 2004-04-14 | 2007-11-15 | オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 発光ダイオードチップ |
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| JP2016526787A (ja) * | 2013-06-19 | 2016-09-05 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． | 放射場パターンに基づくパターン形成表面特徴部を持つｌｅｄ |
| JP2022172792A (ja) * | 2021-05-07 | 2022-11-17 | 日機装株式会社 | 窒化物半導体発光素子 |
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