JPH104209A

JPH104209A - 発光素子

Info

Publication number: JPH104209A
Application number: JP6400397A
Authority: JP
Inventors: Michael R Krames; マイケル・アール・クレイムス; Jr Fred A Kish; フレッド・エー・キッシュ、ジュニア
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1998-01-06
Also published as: GB2311413A; US5779924A; JP2014131078A; JP5741996B2; GB9705173D0; GB2311413B; SG54385A1; JP2007142483A; DE19709228A1; DE19709228B4; JP2011029667A

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体発光素子において、半導体界面の反射及
び透過特性を有利に変更して、半導体から光を抽出する
効率のよい方法を提供する。【解決手段】ＬＥＤの任意の界面において周期的な規則
的界面テキスチャを備え、第１のパス光の抽出が改善さ
れる。界面のパターン形成は、光の抽出のために素子内
部における多重反射をしないで、より多くの光を外部に
送り込めるように制御される。さらに、規則的なテキス
チャ界面によって、光線が外部に脱出する場合のフレネ
ル損失を減少させることが可能になる。テキスチャ特徴
の形状及び寸法は、光の抽出が最適になるように選択さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子の製造
に関するものである。とりわけ、本発明は、こうした素
子からの光の抽出の改良を目指したものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子（ＬＥＤ）からの光抽出
は、一般に空気（ｎ≒１）または透過性エポキシ（ｎ≒
１．５）等の周囲環境に対する半導体材料の光屈折率が
大きい（ｎ≒２．２〜３．８）ために制限されるのが普
通である。抽出量は、ＬＥＤのマクロ形状寸法及び活性
領域内で発生した光の３次元放出分布にかなり左右され
る。活性領域の発光能力は、エピタキシャル層、閉じ込
め層等のようなまわりの材料の構造によって決まる。

【０００３】半導体から光を抽出する問題は、基本電磁
気学の一例を利用することによって理解することが可能
である、すなわち、１つの媒質（Ｉ）からもう１つの媒
質（ＩＩ）に入射する電磁平面波は、透過のために２つ
の媒質間の界面における位相整合条件を満たさなければ
ならない。この条件を満たさない波は、ＴＩＲ（Total
Internal Reflection、全内部反射、以下ＴＩＲと略
す）を生じ、媒質ＩＩには伝搬しない。従来の半導体Ｌ
ＥＤの場合、媒質Ｉにおける光の速度が媒質ＩＩにおけ
るよりも大幅に遅くなり（ｎ_I＞＞ｎ_II）、これらの媒
質間のインターフェイスが平面か、または、テクスチャ
形成されていない場合、位相整合条件によって、透過が
垂直入射角を中心とする狭い角度範囲で媒質Ｉから入射
する光線に制限される。

【０００４】リン化ガリウムＧａＰ（ｎ₁≒３．３）と
透過性エポキシ（ｎ₂≒１．５）との界面の場合、ＴＩ
Ｒは、臨界角θ_c＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ₂／ｎ₁）＝２７．
０゜を超える入射角θ_iで生じる。脱出円錐内（θ_i＜θ
_c）の入射光だけが透過されることになる。Ｇａｐ内の
等方性点光源の場合、界面において脱出円錐内に放出さ
れる光の率は、利用可能な放出光の（１−ｃｏｓθ_c）
／２＝５．５％にすぎない。界面におけるフレネル損失
を含めると、利用可能な放出光の約４．７％が界面を透
過してエポキシ内に伝搬される。完全に反射性の底面を
備え、上部接点がなく、内部吸光が生じない立方体形状
の素子の場合、こうした界面が６つ存在し、全放出光の
ＬＥＤから脱出する率は、６×４．７％＝２８．２％に
なる。

【０００５】上述の効果によって、ＬＥＤの抽出効率が
厳しく制限される。典型的な素子は、ｐ−ｎ接合におい
て広い範囲の方向に放出される（ほぼ等方性放出）光子
を発生する。結果として、放出される光線のうちかなり
の部分が、大きい斜角で素子／周囲界面に入射する可能
性がある。界面が平面か、あるいは、テクスチャが形成
されていない場合、これらの光線は、ＴＩＲを生じるこ
とになり、第１のパスで脱出することはなく、素子内に
吸収されやすい。

【０００６】ＬＥＤからの光の抽出を改良するためのい
くつかの方法が提案されている。その中の１つの方法
は、ＬＥＤのマクロ形状寸法を変更し、素子内で発生し
た光の全てまたは大部分が周囲との界面から脱出円錐に
入ることができるようにすることである。望ましい形状
は、点光源活性領域が球体の中心に位置する、球形素子
である。放出光の全てが、垂直入射角で界面にぶつか
り、フレネル損失を最小にし、ＴＩＲをなくして、周囲
に脱出する。Dierschke, et al. In Applied Physics L
etters 19,98(1971) には、半球形素子に関する抽出効
率の大幅な向上に特に言及されている。Carr in Infrar
ed Physics 6,1 (1966) に記載のように、円錐台、角錐
台等のような他の形状でも抽出効率が改善される。マク
ロ整形方法は、コストが高くつき、非効率的な材料利用
及び複雑な製作プロセス及び技法といった、関連する製
造可能性問題を抱えている。

【０００７】もう１つのアプローチは、素子の上部表面
における反射防止コーティングを用いることである。コ
ーティングによって、界面にほぼ垂直に入射する光線の
フレネル損失が減少する。しかし、薄膜コーティングに
よって、一般に、半導体表面に対する平面性が維持され
るので、素子／周囲界面における有効脱出円錐が拡大す
ることにはならず、この技法の場合、光抽出の改善が制
限される。

【０００８】もう１つの先行技術によるアプローチは、
図１に示され、Schnitzer, et al.In Applied Physics
Letters 63,2174(1993)によって教示されているよう
に、半導体ＬＥＤの表面のランダムなテキスチャ形成ま
たは粗仕上げである。ランダム表面テキスチャによっ
て、素子内の光線の角度分布がランダム化される。この
ランダム化によって、素子構造による多重パス後に、光
が脱出円錐に入る確率全体が高くなる。活性領域から放
出される光は、脱出円錐に入る前に何回も上部表面にぶ
つかる。In Applied Physics Letters 62,131(1993) Sc
hnitzer, et al.に特に言及されているように、光学的
ポンプ構造における多重パス光の抽出によって、極めて
高い全外部量子効率（＞７２％）を実現することが可能
になる。この場合、素子内の吸収を最小限に抑えるた
め、慎重な注意が払われた。実用的な電気的ポンプ素子
の場合、素子内の損失性または吸収性の領域（例えば、
吸収基板、活性層、欠陥、ドープ領域等）またはその端
部における該領域（例えば、金属接点、ダイ取り付けエ
ポキシ等）によって、多重パス光線の強度が大幅に低下
し、このため、抽出効率の利得が制限される。従って、
多重パス光抽出技法によれば、実際の素子では、吸収前
に、光子が素子による多数回にわたるパスができないの
で、小規模な改善しか得られない。

【０００９】もう１つの先行技術による方法は、光子を
表面プラズモン・モード（上部表面の薄膜金属層内にお
ける）に結合し、引き続き、周囲への放射モードで外部
伝搬されるようにすることである。Kock, et al., in A
pplied Physics Letters 57,2327(1990)の教示によれ
ば、プラズモン・モード結合を強化するため、図２に示
す周期的表面構造と薄い金属薄膜を組み合わせて用いる
ことによって、ＬＥＤの量子効率を高めることが可能で
ある。

【００１０】これらの構造は、半導体からの光子を金属
層の表面プラズモンに結合し、これが、さらに、最終的
に抽出される光子に結合されることに基づいている。周
期的構造は、溝の深さが浅い（０．１μｍ）１次元刻線
格子である。おそらく、格子・表面プラズモン変換メカ
ニズム、及び、表面プラズモン・周囲光子変換メカニズ
ムの効率が悪いので、こうした素子の場合、全外部量子
効率は低くなる（１．４〜１．５％）。

【００１１】

【発明が解決すべき課題】半導体発光素子において、半
導体界面の反射及び透過特性を有利に変更して、半導体
から光を抽出する効率のよい方法が、極めて望まれてい
る。

【００１２】

【課題を解決するため手段】ＬＥＤの任意のまたは全て
の界面における少なくとも１つの次元において周期的な
規則的界面テキスチャを備えるＬＥＤによって、第１の
パス光の抽出が改善される。界面のパターン形成は、脱
出のために素子による多重パスを必要とせずに、より多
くの光を周囲に送り込めるように制御される。さらに、
規則的なテキスチャ界面によって、光線が周囲に脱出す
る場合のフレネル損失を減少させることが可能になる。
規則的にパターン化されたテキスチャ形成界面は、素子
内における光の単一波長に相当する特徴間隔を備えるこ
とが可能である。テキスチャ特徴の形状及び寸法は、光
の抽出が問題となる用途にとって最適になるように選択
される。

【００１３】規則的な制御された界面テキスチャ形成の
結果、素子／周囲界面における有効脱出円錐の変化また
は拡大によって光抽出の利得を向上させることが可能に
なる。マクロ整形技法に比べると、規則的テキスチャ形
成が必要とする製作プロセスはより単純である。ほぼ反
射防止コーティングによって反射を最小限に抑えるやり
方で、フレネル損失を減少させることが可能である。最
後に、第１のパス光に関して、光抽出の利得がすぐに得
られ、光は素子内から放出する前に素子構造内において
多重パスを繰り返さなくてよい。

【００１４】

【実施例】界面にテキスチャが形成されると、平らな界
面に関する電磁位相整合条件が変化する。規則的なテキ
スチャ形成パターンを設計することによって、第１のパ
ス光の抽出を増し、半導体から周囲への伝搬パワーを増
すことが可能である。半導体ＬＥＤの規則的なテキスチ
ャ形成の効果については、ＧａＰ（ｎ_S≒３．３）と透
明エポキシ（ｎ_e≒１．５）との界面の波モーメンタム
またはｋ空間図を示す図３を参照することによって理解
することが可能である。界面における２つの媒質は、そ
の許容される波数表面、すなわち、それぞれ半径ｋ_s及
びｋ_eの半円によって表される。ここで、ｋ＝ｋ₀ｎ＝２
πｎ／λ₀、ｎは、材料の屈折率、λ₀は問題となる自由
空間の波長である。テキスチャ形成がなければ、素子内
からの光線Ｉは、θ_cを超える大きい斜角で界面に入射
し、エポキシへのパワーの伝搬を可能にするのに必要な
位相整合条件を満たさない。従って、光線Ｉは全内部反
射して、そのパワーを反射光線ｒ₀に伝搬し、ＧａＰに
戻す。

【００１５】本発明の場合、規則的テキスチャ形成の周
期的間隔は、界面における位相整合条件の変更のため、
十分に狭くなるように選択されている。図３の場合、入
射平面に沿った波数がＫ＝２π／Λの、界面に沿った周
期的テキスチャによって、入射光線にモーメンタムが付
与され、伝搬モードｔ₁、ｔ₂、及び、ｔ₃で示されるよ
うにエポキシにエネルギが伝搬される。エネルギは、ま
た、反射モードｒ１、ｒ２、及びｒ３で反射し、ＧａＰ
に送り返される。テキスチャを形成する個々の局所的特
徴の周期的間隔と形状及び深さは、伝搬モードへのパワ
ー伝達が好適になるように選択される。

【００１６】活性層からの発光は、本質的に３次元のた
め、界面テキスチャ形成は、できれば任意の方位角につ
いて入射平面に沿った波ベクトル成分を得られるのが望
ましい。従って、テキスチャの構成は、単純な刻線格子
のような１次元ではなく、界面に沿った２次元が望まし
い。テキスチャ構成の２次元の性質によって、かなりの
フレキシビリティが得られる。例えば、界面の平面に沿
った２つの直交方向における周期性を異なるようにする
ことが可能であり、この場合、異方性ビーム・パターン
を発生することが可能になる。こうしたビーム・パター
ンは、いくつかの用途において有効になる可能性があ
る。

【００１７】規則的テキスチャ形成周期は、界面におい
て垂直にＴＩＲを生じるていた光線から周囲にパワーを
伝搬するには、十分短いことが望ましいが、ほぼ垂直な
入射光線（別様であれば、脱出する）からかなりの量の
光の向きを直し、ＴＩＲモードで、素子に送り返すこと
になるほど短くならないようにすべきである。この同じ
理由により、「鋭い」テキスチャ特徴は、「穏やかな」
テキスチャ特徴よりも望ましくない可能性がある。「鋭
い」特徴を備えたテキスチャは、光と干渉して、数次高
い回折モードを生じるテキスチャである。これによっ
て、かなりの量の光が、ＴＩＲモードに結合されて、素
子に戻される確率が高くなる。一方、「穏やかな」特徴
を備えたテキスチャは、光の向きを直して、主として低
次の回折モードにし、適正なテキスチャ設計の場合、周
囲に脱出するテキスチャである。「鋭い」特徴を備えた
典型的なテキスチャ・プロフィールには、方形波（鋭い
かどを備える）があり、一方、「穏やかな」特徴を備え
たテキスチャ・プロフィールの一例には、界面の平面に
沿って平滑に変化する正弦波がある。

【００１８】本発明において、界面は異なる媒質間の領
域、または、こうした領域の隣接する組み合わせと定義
されるものとする。さらに、界面はこれら異なる媒質だ
けではなく、素子の幾何学構造の残りの部分に対するそ
の位置及び配向によっても指定されるものとする。

【００１９】図４には、規則的テキスチャが形成された
上部表面を備えるＬＥＤが示されている。垂直にＴＩＲ
を生じる光線γが、この上部表面に達すると、周囲にパ
ワーを伝搬する。このパワー伝達は、第１のパス時に生
じ、素子内または素子のエッジの吸収領域における光学
損失の確率を低下させる。テキスチャ形成されていない
表面の臨界角によって形成される角帯域幅内の光線（γ
‘）は、脱出が可能になる。規則的なテキスチャ形成の
総合的効果は、活性層の発光と素子の形状寸法及び周囲
を整合させて、全抽出効率が大幅に増す結果が得られる
のが望ましい。

【００２０】界面における規則的なテキスチャ形成によ
って、素子から周囲に透過する光線の反射損失も大幅に
低下する。Gaylord et.al., in Applied Optics 25,456
2(1986)に記載のように、規則的な表面テキスチャは、
広い角帯域幅にわたって良好な反射防止特性を示す。素
子と周囲との間における屈折率の急なステップが緩和さ
れ、有効屈折率値が素子材料の有効屈折率値と周囲の有
効屈折率値との間で徐々に変化する中間領域が形成され
る。

【００２１】最適光のテキスチャ・パターンは、界面に
入射する放出光の角分布、及び、界面の形状によって左
右され、その両方によって、光線が所定の角度で界面に
当たる確率がほぼ決まる。ＬＥＤ活性領域が多くの（ほ
ぼ）等方性発光体から構成される場合、フラットな界面
に入射する光が、広い角度範囲にわたって効率よく透過
しなければならない、すなわち、テキスチャ形成された
界面透過は、角帯域幅が広くなければならないといった
テキスチャ設計を施さなければならない。例えば、微少
な空洞共振発光のような、活性領域からの発光が異方性
の場合、規則的なテキスチャ形成によって、異方性発光
及び界面配向の結果生じる角帯域幅内において効率のよ
い透過が行われることが望ましい。

【００２２】ＬＥＤ構造の幾何学構造または形状によっ
て、界面に入射する光の角分布が決まる。立方体構造の
場合、上部平面に対する妥当な最大入射角はｔａｎ^―1（√２・ａ／ｈ）とすることが可能であり、ここでａは、立方体の幅であ
り、ｈは、活性層から上部表面までの距離である（例え
ば、ａ＝１０ｍｉｌ、ｈ＝２ｍｉｌ、とするとθ_max＝
８２゜となる）。しかし、側部表面の臨界角内の光は、
側部表面から脱出するので、θ_max＝９０゜−θ_c＝６３
゜（ｎ_s＝３．３、ｎ_e＝１．５の場合）。従って、規則
的テキスチャ形成は、−６３゜＜θ_c＜６３゜の角帯域
幅にわたって効率のよい透過が生じるように設計するこ
とが望ましい。

【００２３】さらに、光の角分布の３次元性質を考慮す
べきである。例えば、平らな界面の下方にある等方性発
光体に関して、｜θ｜＜２０゜の場合に放出される光の
割合は、（１−ｃｏｓ２０）／２＝３％である。これ
は、２０゜＜｜θ｜＜４０゜の場合に放出される光の割
合、すなわち、（ｃｏｓ２０−ｃｏｓ４０）／２＝８．
７％より低い。４０゜＜｜θ｜＜６０゜の場合、割合
は、（ｃｏｓ４０−ｃｏｓ６０）／２＝１３．３％にな
る。界面の規則的テキスチャ形成は、所望であれば、小
さい斜角を犠牲にして大きい斜角でより効率よく光を透
過するように設計することが可能である。これは、一般
に、回折構造における回折効率と角帯域幅との間におい
て固有のトレード・オフのため、重要になる可能性があ
る。結果として、大きい斜角（光の大部分が入射光の場
合）における最大抽出効率に合わせて格子を同調させる
ことが望ましい場合がある。

【００２４】活性層とまわりの構造は、界面に入射する
光の角分布に影響を及ぼす可能性がある。厚い吸収性の
活性層の場合、大きい値のθにおける発光は、吸収性の
活性層内において可能性のある光路長が長くなるため、
可能性が低い。上部表面に入射する光の角帯域幅は、内
部量子効率の高い（光子の再循環確率が高い）薄い活性
層素子または活性層に対して狭くなる。

【００２５】空洞共振型ＬＥＤ構造（ Schubert et a
l., Science 265,943 [1994]を参照）の場合、活性層及
び空洞共振器の設計は、光の角分布に強い影響を及ぼ
す。活性層は、反射金属、誘電体分布式ブラッグ・リフ
レクタ（ＤＢＲ）スタック、または、半導体ＤＢＲスタ
ックとすることが可能な反射率の高いミラーによって形
成される小さな垂直空洞共振器内に配置される。活性層
が空洞共振器内波長の腹の部分に配置され、ＤＢＲが垂
直入射の最大反射率に同調させられると、放出される光
の多くは、約０゜の狭い範囲内に集束する。しかし、活
性層を空洞共振器内波長の腹の部分から離して配置する
か、または、空洞共振器が同調されていないと、光の角
分布が、オフ軸（軸から外れた）角の狭い範囲に制限さ
れる。全放出光の割合は、前述のように、所定の光の角
分布の場合（上部表面に対して）斜角が大きくなると増
大する。規則的なテキスチャが形成された界面によって
６０％の透過が可能な狭い角度範囲に、上方発光の８０
％を含むことができれば、結果得られる上方抽出効率
は、０．８×０．６＝４８％になる。

【００２６】最適性能に必要な規則的テキスチャ形成の
特定の形状、寸法、及び、構成は、用途によって決ま
る。特徴形状は、円錐状の隆起及び窪みとすることが可
能である。典型的な規則的構成は、方形、矩形、また
は、六角形（ＨＣＰ、Hexagonal Closed Packed ）ア
レイとすることが可能である。これらの構成が、それぞ
れ、規則的なテキスチャ形成界面の平面図を示す図５ａ
〜５ｃに示されている。周期的間隔は、おそらく、素子
内の光の波長と同じか、あるいは、それより短い。テキ
スチャ形成界面の断面プロフィールは、隆起または窪み
による山と谷を示し、高さまたは深さによって決まるＦ
ＷＨＭ幅（Full-Width-at-Half-Maximum, 最大値の１／
２における全幅）のように界面の平面に沿った個々の特
徴の範囲も、素子内における光の波長の数倍以下と同等
にすることが可能である。隆起または窪みの最大高さま
たは深さは、素子内における光の１〜数波長分と同等に
することが可能である。規則的パターンの間隔は、波長
によって決まる。従って、界面における電磁位相整合条
件を最適に変更して、周囲に伝搬する全パワーを増大さ
せるのは重要である。パターンの局部的特徴の範囲及び
深さは、光を透過するための位相条件の変更効率に影響
を及ぼす。また、全光学透過及び素子性能を最大にする
ため、その個々の局部的特徴のサイズ及び／または形状
に関して、パターンの周期を少しづつ変化させてチャー
プを生じさせるか、あるいは、別の変化をつけることが
可能である。

【００２７】一例として、λ〜４００−７００ｎｍの場
合の可視波長ＬＥＤについて考察することにする。この
場合、図４に解説の界面に関して、規則的なテキスチャ
形成は、正方形またはＨＣＰ構成を示すことが可能であ
る。特徴は、０．１−０．９μｍの範囲にわたって、
０．１−０．５μｍの間隔をとり、特徴の深さは０．２
−１５．０μｍほどになる可能性がある。周期または間
隔は、大きい斜角で、光を周囲に伝搬するのに十分に短
くなければならない。典型的な可視波長ＬＥＤ構造の場
合、周期は、１．０μｍ未満になる。特徴の最大深さ
は、より高い抽出効率を実現するため、０．５μｍ以上
にすることが可能である。問題となる界面は、２次元の
ため、格子パターンは、単純な格子のように１次元では
なく、２次元にしなければならない。

【００２８】従来の半導体発光素子が、図６に示されて
いる。該素子は、電流注入のために設けられた電気接点
（４）を基板（３）上に有し、ｐ−ｎ接合活性領域
（２）を含む半導体エピタキシャル層（１）から構成さ
れる。図６に示す電気接点は、素子の上部表面と底部表
面の両方に形成されているが、両方の接点を素子の片側
に設けて、もう片側における光の抽出効率を増すことも
可能である。この後者の場合、満足のゆくように、エピ
タキシャル層（１）を基板上に成長させることができる
か、あるいは、基板に取り付けることが可能であれば、
基板（３）は、導体である必要はなく、半導体である必
要さえない。

【００２９】図７ａ〜ｃには、発光素子の上部表面にテ
キスチャ形成するための一連のプロセスのステップが示
されている。電気または光に感応する薄膜（５）が素子
の上部に塗布されている（図７ａ）。この薄膜は、電子
ビーム・リソグラフィ、レーザ・ビーム干渉、または、
ＵＶ放射等を利用して露光され、所望のパターンが現像
される（６）（図７ｂ）。現像が済むと、残りのマスキ
ング・パターンによって、後続のエッチングまたはミリ
ング・プロセス（例えば、イオン・ミリング、反応イオ
ン・エッチング、湿式化学エッチング、電気化学エッチ
ング、光化学エッチング、化学的方法と組み合わせたイ
オン・ビーム・エッチング、または、これらの組み合わ
せ等）から素子材料の領域が保護され、所望のパターン
（７）が素子材料に転写され、マスキング層（６）が除
去される（図７ｃ）。金属接点は、エッチングまたはミ
リング・プロセスに対するマスクの働きをし、それ自体
にはテキスチャが形成されない。感光マスキング薄膜
（５）は、自己パターン化エッチング技法（例えば、光
電化学エッチング、局部レーザ溶融、及び、溶融領域の
選択的エッチング等）を用いて、除去することが可能で
あり、この場合、素子材料の化学的、機械的、または、
電気的状態は、パターンに従って変更され、その後、ま
たは、同時に、材料を選択的に除去することによって、
規則的テキスチャ形成界面が形成される。

【００３０】代替案として、感光薄膜の前に、誘電体マ
スキング薄膜または他の薄膜（金属、ポリマ等）が塗布
される。最適な光抽出にとって望ましい深いエッチング
を施されたテキスチャが形成されるようにするため、こ
のマスクのタイプ及び厚さは、マスキング材料と素子材
料の間において必要なエッチング比率が得られるように
選択される。さらに、この薄膜は、周囲への光抽出を改
善するためにテキスチャを形成することが可能な、適合
する透過性ウインドウ層であるため、完成品の一部を構
成することが可能である。これは、その結果得られる構
造によって、素子からの有効脱出円錐が拡大するので、
誘電体の屈折率が周囲の屈折率より大きい場合に役立つ
可能性がある。

【００３１】図８には、透明な基板素子の上部表面及び
裏側表面にテキスチャ形成が可能なもう１つの実施例が
示されている。活性領域は、一般に放出長で光を多量に
吸収するので、裏側表面にテキスチャ（８）を形成し
て、裏側表面から素子の側部に反射する光の向きを直
し、活性層及び上部金属接点による第２のパスを回避す
る。上部表面と底部表面のテキスチャは、いずれの表面
においても、光の向きが別様に直されるので、異なるよ
うに形成することが可能である。薄い活性層素子または
内部量子効率が高い（＞８０％）活性層素子の場合、こ
の層における吸収はほとんど行われないので、代わり
に、光の向きを直して、上部表面において脱出角をなす
ように、底部表面のテキスチャを設計することが可能で
ある。

【００３２】図９には、テキスチャが形成された表面の
上に裏面金属接点が配置された実施例が示されている。
代替案として、テキスチャ形成された領域外に、正面及
び／または裏面接点を取り付けることも可能である。図
９の場合、裏面金属接点（９）の波形によって、所定の
接点寸法の表面積が増し、該接点が示す電気抵抗は、同
じ寸法のフラットな接点に比べて小さくなる。波形接点
は、同等の接触抵抗を得るのに、フラットな接点に比較
して寸法を小さくすることが可能である。波形は、入射
光に対する効率のよい反射または回折障壁の働きをする
ことができるので、波形接点は、従来のフラットな接点
よりも吸収が少なくなる可能性ある。接点領域内におけ
るパターン化は、接点における吸収を減少させるため、
接点領域内におけるＴＩＲまたはフレネル反射の増大に
関して、素子の界面の残りの部分におけるパターン化と
は別個に最適化することが可能である。該領域における
最適なパターン化は、素子の他の領域に関する最適パタ
ーン化と同様の場合のあれば、そうでない場合もある。

【００３３】図１０には、マクロ整形及び界面テキスチ
ャ形成を組み合わせる実施例が示されている。表面テキ
スチャ形成は、円錐台形状の発光素子の上部と底部の一
方または両方に設けられる。この透明基板素子は、厚い
円錐形状のウインドウによって得られる抽出利得を活用
するため、図９の素子に対しさかさまに取り付けられ
る。テキスチャ形成は、裏面に対して施され、光を素子
の側面に向け直し、吸収性の活性領域を通過するのを阻
止するように設計することが可能である。代替案とし
て、上部金属接点と裏面金属接点を、両方とも、波形ま
たは「フラット」にすることが可能である。円錐形状の
ウインドウは、活性領域から放出される光の多くをほぼ
垂直入射角で上部表面に向けるのに役立つ。これによっ
て、上部表面に入射する光の角帯域幅が狭くなり、一般
に、回折構造における回折効率と帯域幅との間にはトレ
ード・オフがあるので、より効率のよいテキスチャ形成
設計が可能になる。逆の場合も有効である。上部表面に
おける有効脱出円錐の拡大によって、チップ整形におけ
る設計制約条件の緩和が可能になり、設計コストが低下
する。上部表面のテキスチャ形成によって、問題となる
波長及び角度における最大の光抽出が可能になり、一
方、接触領域のテキスチャ形成は、金属接点における吸
収を減少させるため、反射率を最大にするように設計す
ることが可能である。

【００３４】図１１には、規則的界面テキスチャ形成と
チップ整形を組み合わせた実施例が示されている。角錐
台形状は、半球形との類似性によって選択されている。
テキスチャ形成は、少なくとも露出表面の１つに対して
施される。フレネル損失を減少させ、抽出効率を高める
ためには、上部及び底部だけでなく、素子の面取りされ
た側部（１０）にもテキスチャ形成を施すことが望まし
い。面取りされた表面（１０）のパターン化は、レーザ
を利用した光化学エッチングのような非接触パターン化
技法によって実施するのが最も有効である。さらに変形
として、素子の端部エッジにも何らかのタイプの規則的
テキスチャを形成して、放出パターンの変更及び／また
は抽出効率のいっそうの強化をはかることも可能であ
る。

【００３５】図１２には、活性領域の近くに規則的テキ
スチャが形成された界面を備える素子が示されている。
テキスチャが形成された界面には、透明なウインドウ層
（１２）が取り付けられている。このウインドウ層を設
けることによって、活性層へ均一に電流を注入すること
が出来るために、上部接点から拡散する電流を増加させ
ることが可能である。ウインドウ層とテキスチャ形成界
面との間に挟まれた界面は、通常、空隙（１３）から構
成されるが、これらの空隙は、構造上の完全性をもたら
し、素子の電流が流れる部分の幾何学構造を好適に修正
するため、ウインドウ層の取り付け前に、適合する材料
（例えば、誘電体、半導体材料、自然酸化物）を充填す
ることが可能である。「挟む」材料のテキスチャ形成及
び選択は、問題となる用途に関して素子の電気的及び光
学的特性が最適化されるように選択することが望まし
い。規則的テキスチャ形成を活性層に近接させることに
よって、光の放出特性を改善することが可能になるが、
この場合、光は、活性層から上部表面に対しほぼ垂直な
入射角になるように、強制的に上方に放出される。この
後者の場合、格子は、活性領域から〜５λ以内、できれ
ば、〜２λ以内に配置すべきである。格子を活性層の下
方に配置して、光の向きを上方またはできればＬＥＤの
エッジに向け直すようにすることも可能である。

【００３６】図１３には、２つのＤＢＲミラー・スタッ
ク（２２Ａ、２２Ｂ）の間に挟まれた活性領域（２）か
ら構成される空洞共振（ＲＣ）構造（２０）を備えたＬ
ＥＤが示されている。この空洞共振器は、同調が取られ
ていないので、活性層からの異方性放出（オフ軸放出）
が得られる。規則的テキスチャが形成された上部表面
は、この光を周囲に効率よく結合するように設計され
る。素子が透明基板に取り付けられる場合、底部表面に
テキスチャ形成を施して、なるべく素子の側部の光の脱
出円錐内に向けるようにすることも可能である。さら
に、代わりに、活性層により近い界面において、テキス
チャ形成された界面を素子内に埋め込むことも可能であ
る。

【００３７】図１４には、空洞（２０）の片側が反射率
の高い金属ミラー（２４）によって形成され、もう片側
がＤＢＲスタック（２２）によって形成された、ＲＣＬ
ＥＤが示されている。素子は、（透明）基板を上にして
取り付けられる。空洞共振器は、オフ軸放出のため同調
が取られてなく、上部表面には、放出光を周囲に効率よ
く伝搬できるようにテキスチャが形成される。さらに、
図１３及び１４のＲＣＬＥＤ素子は、（テキスチャ形成
に加えて）オフ軸放出による光を最適に外部結合するよ
うに整形することも可能である。

【００３８】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。

【００３９】（実施態様１）発光素子、該発光素子は、
以下（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴とする、（ａ）素子、該素子は、以下（ａ−１）ないし（ａ−
４）を含む、（ａ−１）基板（３）、（ａ−２）ｐ−ｎ
接合領域（２）、該ｐ−ｎ接合領域（２）は複数の層を
備え、その部分組をなす複数層の極性が、ｐ−ｎ接合を
形成するように逆極性になっており、層の１つが基板に
隣接している、（ａ−３）透過性ウインドウ層、該透過
性ウインドウ層は前記ｐ−ｎ接合領域に隣接して配置さ
れ、及び、（ａ−４）電気接点（４）、該電気接点は前
記ｐ−ｎ接合領域に接続し、前記ｐ−ｎ接合に順バイア
スをかける働きをする、（ｂ）主界面（７、８、１１）であって、該主界面
（７、８、１１）は前記素子内に配置され、少なくとも
1つの選択方向において繰り返される特徴によってテク
スチャが形成されており、選択された方向のそれぞれに
おいて関連する周期性を備えて、光の抽出を増すように
なっており、１つの周期内において、少なくとも１つの
山と少なくとも１つの谷を有する断面プロフィールを備
える主界面（７、８、１１）。

【００４０】（実施態様２）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、前記主界面が少なくとも２
つの選択された方向において、同じ周期性で繰り返され
る特徴を備えていることを特徴とする。

【００４１】（実施態様３）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、前記主界面が矩形のアレイ
を形成する反復特徴を備えていることを特徴とする。

【００４２】（実施態様４）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、前記主界面が六角形パター
ンを形成する反復特徴を備えていることを特徴とする。

【００４３】（実施態様５）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、山から谷までの最大深度
が、０．２〜１５ミクロンであることを特徴とする。

【００４４】（実施態様６）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、周期性が０．１〜５．０ミ
クロンの関連する周期を有していることを特徴とする。

【００４５】（実施態様７）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、谷はｐ−ｎ接合領域の２ミ
クロン内にあることを特徴とする。

【００４６】（実施態様８）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、前記主界面の断面プロフィ
ールの山と谷のＦＷＨＭ幅がテクスチャをなす配列の１
周期の１０〜９０％であることを特徴とする発光素子。

【００４７】（実施態様９）実施態様１に記載の発光素
子であって、該発光素子は、前記主界面の一部が導電性
であることを特徴とする。

【００４８】（実施態様１０）実施態様１に記載の発光
素子であって、該発光素子は、さらに前記主界面の一部
が金属皮膜を含むことを特徴とする。

【００４９】（実施態様１１）実施態様１に記載の発光
素子であって、該発光素子は、谷の少なくとも一部が、
屈折率２．０未満の材料によって充填されることを特徴
とする。

【００５０】（実施態様１２）実施態様１１に記載の発
光素子であって、前記屈折率が２．０未満の材料は誘電
体材料であることと、さらに、該発光素子は、前記誘電
体材料上に配置される金属層を含むことを特徴とする。

【００５１】（実施態様１３）実施態様１に記載の発光
素子であって、該発光素子は、さらに次のものを含むこ
とを特徴とする、素子内に配置されるＮ層の２次界面
（１０）（ここで、Ｎ＞１）、該２次界面は、それぞれ
に少なくとも１つの選択方向において繰り返される特徴
によってテクスチャが形成され、それぞれの選択された
方法において周期性を備えて光の抽出を増すようになっ
ており、任意の周期内において少なくとも１つの山と少
なくとも１つの谷を有する断面プロフィールを備える。

【００５２】（実施態様１４）実施態様１３に記載の発
光素子であって、前記Ｎ層の２次界面の少なくとも１つ
の界面及び前記主界面が、異なる断面プロフィールを備
えていることを特徴とする発光素子。

【００５３】（実施態様１５）実施態様１３に記載の発
光素子であって、前記Ｎ層の２次界面の少なくとも１つ
の界面及び前記主界面が、異なる周期性でテクスチャが
形成されることを特徴とする発光素子。

【００５４】（実施態様１６）発光素子のテクスチャ形
成界面の製造方法であって、該方法は以下（ａ）および
（ｂ）のステップを含むことを特徴とする、（ａ）少な
くとも１つのパターンを素子の少なくとも１つの界面に
転写するステップであり、各パターンが、少なくとも１
つの選択された方向において周期性を示す反復特徴を示
すようにするステップと、および（ｂ）パターンに基づ
いて素子材料の一部を除去するステップであり、少なく
とも１つの方向において周期性を示す反復特徴によって
テクスチャが形成された界面を形成するステップ。

【００５５】（実施態様１７）実施態様１６に記載の方
法であって、前記パターンの転写ステップはさらに次の
（ａ）ないし（ｂ）のステップを含むことを特徴とす
る、（ａ）素子の界面にフォトレジスト層を堆積させる
ステップと、（ｂ）フォトレジスト層の一部を露光させ
て、パターンを形成するステップと、（ｃ）フォトレジ
ストの非パターン形成領域を除去して、マスキング層を
形成するステップ。

【００５６】（実施態様１８）実施態様１６に記載の方
法であって、前記パターンの転写ステップはさらに次の
（ａ）ないし（ｅ）のステップを含むことを特徴とす
る、（ａ）素子の界面に誘電体材料層を堆積させるステ
ップと、（ｂ）誘電体層材料層にフォトレジスト層を堆
積させるステップと、（ｃ）フォトレジスト層の一部を
露光させて、パターンを形成するステップと、（ｄ）フ
ォトレジストの非パターン形成領域を除去するステップ
と、（ｅ）パターンに従って誘電体材料層にエッチング
を施すステップ。

【００５７】（実施態様１９）実施態様１６に記載の方
法であって、さらに、屈折率が２．０未満の材料を用い
て、前記界面の少なくとも一部に充填を行うステップが
含まれることを特徴とする。

【００５８】（実施態様２０）実施態様１６に記載の方
法であって、さらに、電気接点を前記界面に取り付ける
ステップが含まれることを特徴とする。

【００５９】（実施態様２１）実施態様１６に記載の方
法であって、前記パターンの転写ステップはさらにパタ
ーンに基づいて素子材料の状態を修正するステップ、該
パターンは少なくとも１つの方向において周期性を有す
る繰り返し特徴を有する、が含まれていることを特徴と
する。

【００６０】（実施態様２２）実施態様２１に記載の方
法であって、前記修正ステップ及び前記除去ステップが
同時に実施されることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】先行技術の例を示す図である。

【図２】先行技術の他の１つの例を示す図である。

【図３】ｋ空間図である。

【図４】界面に沿った周期的テキスチャを示す図であ
る。

【図５ａ】周期的テキスチャに関する規則的配列の例を
示す図である。

【図５ｂ】周期的テキスチャに関する規則的配列の例を
示す図である。

【図５ｃ】周期的テキスチャに関する規則的配列の例を
示す図である。

【図６】従来の半導体発光ダイオードを示す図である。

【図７ａ】ＬＥＤの上部表面にテキスチャ形成を施す方
法を示す図である。

【図７ｂ】ＬＥＤの上部表面にテキスチャ形成を施す方
法を示す図である。

【図７ｃ】ＬＥＤの上部表面にテキスチャ形成を施す方
法を示す図である。

【図８】テキスチャが形成された透明基板素子を示す図
である。

【図９】テキスチャが形成された透明基板素子の他の１
つの実施例を示す図である。

【図１０】テキスチャが形成された透明基板素子の他の
１つの実施例を示す図である。

【図１１】テキスチャが形成された透明基板素子の他の
１つの実施例を示す図である。

【図１２】テキスチャが形成された透明基板素子の他の
１つの実施例を示す図である。

【図１３】２つのＤＢＲミラー・スタックから構成され
る、規則的なテキスチャが形成された界面を備える、空
洞共振型ＬＥＤチップを示す図である。

【図１４】ＤＢＲスタックと１つの金属ミラーから構成
される、透明な基板表面に規則的テキスチャが形成され
た界面を備える、空洞共振型ＬＥＤチップを示す図であ
る。

【符号の説明】

１エピタキシャル層２ｐ−ｎ接合活性領域３基板４電気接点５マスキング薄膜６マスキング層７所望のパターン８テキスチャ９裏面金属接点１０面取りされた側部１２ウインドウ層１３空隙２０空洞共振構造２２ＡＤＢＲミラー・スタック２２ＢＤＢＲミラー・スタック２４金属ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子、該発光素子は以下（ａ）および
（ｂ）を含むことを特徴とする、（ａ）素子、該素子は、以下（ａ−１）ないし（ａ−
４）を含む、（ａ−１）基板、（ａ−２）ｐ−ｎ接合領
域、該ｐ−ｎ接合領域は複数の層を備え、その部分組を
なす複数層の極性が、ｐ−ｎ接合を形成するように逆極
性になっており、層の１つが基板に隣接している、（ａ
−３）透過性ウインドウ層、該透過性ウインドウ層は前
記ｐ−ｎ接合領域に隣接して配置され、及び、（ａ−
４）電気接点、該電気接点は前記ｐ−ｎ接合領域に接続
し、前記ｐ−ｎ接合に順バイアスをかける働きをする、（ｂ）主界面であって、該主界面は前記素子内に配置さ
れ、少なくとも1つの選択方向において繰り返される特
徴によってテクスチャが形成されており、選択された方
向のそれぞれにおいて関連する周期性を備えて、光の抽
出を増すようになっており、１つの周期内において、少
なくとも１つの山と少なくとも１つの谷を有する断面プ
ロフィールを備える主界面。