JP2016036037A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤの製造方法を提供する。【解決手段】発光素子３００は、半導体層３０５と、半導体層３０５上の光結合層３１０と、半導体層３０５上の電極３１５と、を備える。光結合層３１０は、第１屈折率を有する第１層３２０と、第２屈折率を有する第２層３２５と、第１層３２０および第２層３２５の少なくとも一方に設けられた光結合部分３３０と、を有し、第１層３２０は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層であり、第２層３２５は、粗面化されたアンドープＩＩＩ−Ｖ族半導体層および粗面化されたバッファ層の少なくともいずれか一方である。【選択図】図３

Description

実施形態は、発光素子に関する。

照明用途には通例、白熱電球又はガス入り電球を用いる。このような電球は通例、長い動作寿命を有しておらず、それ故、頻繁な交換を必要とする。蛍光又はネオン管等のガス入り管は、より長い寿命を有するが、高い電圧を用いて動作し、比較的高価である。更に、電球及びガス入り管は双方とも相当量のエネルギーを消費する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電子と正孔の再結合時に光を放射する素子である。ＬＥＤは通例、ｐ−ｎ接合を作り出すために不純物をドープされた半導体材料のチップを含む。電流がｐ側（すなわちアノード）から、ｎ側（すなわちカソード）へ流れる。電荷担体−電子及び正孔−が、異なる電圧を有する電極からｐ−ｎ接合内へ流れる。電子が正孔に出会うと、光子の形のエネルギー（ｈν）の放射放出を生じさせてよい過程で電子は正孔と再結合する。光子、すなわち光はＬＥＤの外部へ透過され、例えば、照明用途及びエレクトロニクス用途等の種々の用途で使用するために利用される。

ＬＥＤは、白熱電球又はガス入り電球とは対照的に、比較的安価であり、低い電圧で動作し、長い動作寿命を有する。加えて、ＬＥＤは消費電力が比較的少なく、コンパクトである。これらの特性はＬＥＤを特に望ましく、多くの用途にとって適切なものとする。

ＬＥＤの利点にもかかわらず、このような素子に付随する制限が存在する。このような制限には、ＬＥＤの効率を制限し得る材料的制限、ＬＥＤによって発生される光の素子外部への透過を制限し得る構造的制限、及び高いプロセスコストにつながり得る製造上の制限などがある。したがって、ＬＥＤ、及びＬＥＤの製造方法を改良する必要がある。

本発明の一態様では、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、発光素子が提供される。一実施形態では、発光素子が、基板と、基板に隣接するｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、ｐ形半導体層に隣接する活性層と、活性層に隣接するｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、を含む。ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接する光結合構造が１つ以上のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。光結合構造は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層まで延びるオリフィスを含む。オリフィス内に形成される電極がｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と電気的に導通する。

別の実施形態では、発光ダイオードが、基板と、基板に隣接し、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの一方を有する第１層と、を含む。第１層に隣接する第２層が、活性材料であって、この活性材料内における電子と正孔の再結合時に光を発生するように構成される、活性材料を含む。第２層に隣接する第３層が、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの他方を含む。第３層に隣接する光結合構造が１つ以上のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。光結合構造は、第３層まで延びる開口部を含む。開口部内に配置される電極が第３層と電気的に導通する（例えば、オーミック接触する）。

別の実施形態では、発光素子が、第１の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の第１層と、第１層に隣接する第２層とを含む。第２層は、電子と正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性材料を含む。第２層に隣接する第３層が第２の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。第３層に隣接する光結合構造が第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。光結合構造は、光結合構造の少なくとも一部を貫いて延びる開口部を含む。光結合構造に隣接する電極が、第１層及び第２層のうちの一方と電気的に導通する。場合によっては、第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、第１の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料及び第２の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料と異なる。

本発明の別の態様では、発光ダイオードを含む、発光素子の形成方法が提供される。一実施形態では、発光素子形成方法が、反応チャンバ（又は反応チャンバが複数の反応空間を含む場合には、反応空間）内において、基板の上方に光結合構造を設けることを含む。光結合構造は、光結合構造に隣接するｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの一方を露出させる開口部を含む。光結合構造はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。その後、開口部内に、活性層に隣接して形成されたｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの一方と電気的に導通した電極が形成される。活性層はｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの他方に隣接して形成される。ｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの他方は基板に隣接して形成される。

別の実施形態では、発光素子形成方法が、反応チャンバ内に、バッファ層を有する基板を設けることと、光結合層を形成するために、バッファ層の一部を粗面化することと、を含む。光結合層は、活性層に隣接して形成されるｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの一方に隣接して形成される。活性層はｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの他方に隣接して形成される。ｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの他方は基板に隣接して形成される。

別の実施形態では、発光素子形成方法が、反応チャンバ内の第１基板に隣接してバッファ層を形成することと、バッファ層に隣接してｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成することとを含む。ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接して活性層が形成され、活性層に隣接してｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層が形成される。次に、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接して第２基板が設けられる。その後、バッファ層を露出させるために、第１基板が除去される。その後、バッファ層から光結合層が形成される。光結合層は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層まで延びる開口部を含む。その後、開口部内に電極が設けられる。

以下の詳細な説明より、当業者には本開示の追加の態様及び利点が容易に明らかになろう。詳細な説明では、本開示の例示的な実施形態のみが示され、説明されている。理解されるように、本開示は他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの細部は、すべて本開示から逸脱することなく、種々の明らかな点で修正が可能である。
したがって、図面及び説明は本質的に例示的なものと見なされるべきであり、限定的なものと見なされるべきではない。

本明細書において言及されている刊行物、特許、及び特許出願は、個々の刊行物、特許、又は特許出願が、参照により援用されると明確に個々に示された場合と同程度に、本明細書において参照により援用される。

本発明の原理が利用される例示的な実施形態を示す以下の詳細な説明、及び添付の図面を参照することによって、本発明の特徴及び利点のより良い理解を得ることができる。

発光ダイオードの模式図である。

本発明の一実施形態による光結合層を有する発光素子の模式図である。

本発明の一実施形態による光結合構造を有する発光素子の模式図である。

本発明の一実施形態による発光素子の模式図である。

本発明の一実施形態による発光素子形成方法である。

本発明の一実施形態による、ｎ形窒化ガリウム層の上方に光結合層及び電極を形成する方法の模式図である。

本発明の一実施形態による発光素子形成システムである。

本明細書には本発明の種々の実施形態が示され、説明されているが、このような実施形態は例としてのみ提供されていることは当業者には明らかであろう。当業者は、本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更、及び置換に想到しよう。本発明を実施する際には、本明細書に記載されている本発明の実施形態の種々の代替物が用いられてよいことを理解されたい。

本明細書において使用するとき、用語「発光素子」は、素子の発光領域（又は「活性層」）内において、発光領域を通じて順方向バイアス電流が印加された（又は流れた）時など、電子と正孔の再結合時に光を発生するように構成される素子を指す。場合によっては、発光素子は、電気エネルギーを光に変換する固体素子である。発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は発光素子である。異なる材料で作られ、異なる構造を有し、様々な仕方で動作する多くの異なるＬＥＤ素子構造が存在する。一部の発光素子はレーザ光を放射し、他のものは非単色光を発生する。或るＬＥＤは特定の用途における性能に合わせて最適化されている。ＬＥＤは、窒化インジウムガリウムを有する多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層を含む、いわゆる青色ＬＥＤであってよい。青色ＬＥＤは、約４４０ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の波長を有する非単色光を放射してよい。放射される青色光の一部を吸収する蛍光体コーティングが提供されてよい。この蛍光体が、蛍光を発して、他の波長の光を放射することにより、そのＬＥＤ装置全体が放射する光は、より広範囲の波長を有することになる。

本明細書において使用するとき、用語「層」は、基板上の原子又は分子の層を指す。
場合によっては、層はエピタキシャル層又は複数のエピタキシャル層群を含む。層は膜又は薄膜を含んでもよい。状況によっては、層は、例えば、光を発生する（又は放射する）ように構成された活性層等の、所定の素子機能を果たす素子（例えば、発光ダイオード）の構造構成要素である。一般的に、層は、約１単原子単層（ＭＬ：monolayer）から数十単層、数百単層、数千単層、数百万単層、数十億単層、数兆単層、又はそれ以上の厚さを有する。一例では、層は、１単原子単層よりも大きい厚さを有する多層構造である。加えて、層は複数の材料層（又はサブレイヤー）を含んでよい。一例では、多重量子井戸活性層が複数の井戸及びバリア層を含む。層は複数のサブレイヤーを含んでよい。例えば、活性層がバリアサブレイヤー及び井戸サブレイヤーを含んでよい。

本明細書で使用するとき、用語「カバレッジ」は、化学種によって覆われる又は占有される表面の、表面の全面積に対する割合を指す。例えば、化学種についての１０％のカバレッジとは、表面の１０％がその化学種によって覆われることを示す。状況によっては、カバレッジは単層（ＭＬ）によって表され、１ＭＬは特定の化学種による表面の完全飽和に相当する。例えば、０．１ＭＬのピットカバレッジは、表面の１０％がピットによって占有されることを示す。

本明細書において使用するとき、用語「活性領域」（又は「活性層」）は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の、光を発生するように構成された発光領域を指す。活性層は、活性層間に印加される電位を用いて、電子と正孔の再結合時に光を発生する活性材料を含む。活性層は１層又は複数の層（又はサブレイヤー）を含んでよい。場合によっては、活性層は、１つ以上のバリア層（又は、例えばＧａＮ等の、クラッド層）並びに１つ以上の量子井戸（「井戸」）層（例えばＩｎＧａＮ等）を含む。一例では、活性層は多重量子井戸を含む。この場合、活性層は多重量子井戸（「ＭＱＷ」）活性層と呼ばれてよい。

本明細書で使用するとき、用語「ドープされた」は、化学的にドープされた構造又は層を指す。層はｎ形化学ドーパントをドープされるか（同様に、本明細書においては、「ｎドープされた」）又はｐ形化学ドーパントをドープされてよい（同様に、本明細書においては、「ｐドープされた」）。場合によっては、層は、アンドープであるか又は意図的にドープされていない（同様に、本明細書においては、「ｕドープの」又は「ｕ形」）。一例では、ｕ−ＧａＮ（又はｕ形ＧａＮ）層とは、アンドープ又は意図的にドープされていないＧａＮを含む。

本明細書で使用するとき、用語「隣接する」又は「〜に隣接する」は、「〜の隣の」、「〜に接している」、「〜と接触する」、及び「〜に近接する」を含む。場合によっては、隣接する構成要素が１つ以上の介在層によって互いに隔てられる。例えば、１つ以上の介在層は、約１０マイクロメートル（「ミクロン」）、１ミクロン、５００ナノメートル（「ｎｍ」）、１００ｎｍ、５０ｎｍ、１０ｎｍ、１ｎｍ、又はそれ未満よりも小さい厚さを有することができる。一例では、第１層が第２層と直接接するときに第１層が第２層に隣接する。別の例では、第１層が第３層によって第２層と隔てられているときに第１層が第２層に隣接する。

本明細書で使用するとき、用語「基板」は、膜又は薄膜の形成が所望される任意のワークピースを指す。基板は、以下のものに限定されるわけではないが、シリコン、ゲルマニウム、シリカ、サファイア、酸化亜鉛、炭素（例えば、グラフェン）、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、スピネル、被覆シリコン、酸化物上シリコン、酸化物上炭化珪素、ガラス、窒化ガリウム、窒化インジウム、二酸化チタン及び窒化アルミニウム、セラミック材料（例えば、アルミナ、ＡｌＮ）、金属材料（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）、並びにそれらの結合体（又は合金）を含む。

本明細書で使用するとき、用語「ＩＩＩ−Ｖ族半導体」は、１つ以上のＩＩＩ族化学種（例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウム）と１つ以上のＶ族化学種（例えば、窒素、燐）を有する材料を指す。ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、場合によっては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、ヒ化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、リン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＰ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、及び窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）から選択される。

本明細書で使用するとき、用語「ドーパント」は、ｎ形ドーパント又はｐ形ドーパント等の、化学ドーパントを指す。ｐ形ドーパントとしては、以下のものに限定されるわけではないが、マグネシウム、ベリリウム、亜鉛及び炭素が挙げられる。ｎ形ドーパントとしては、以下のものに限定されるわけではないが、シリコン、ゲルマニウム、錫、テルル、及びセレンが挙げられる。ｐ形半導体とは、ｐ形ドーパントをドープされた半導体である。ｎ形半導体とは、ｎ形ドーパントをドープされた半導体である。ｎ形窒化ガリウム（「ｎ−ＧａＮ」）等のｎ形ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ｎ形ドーパントをドープされたＩＩＩ−Ｖ族材料を含む。ｐ形ＧａＮ（「ｐ−ＧａＮ」）等のｐ形ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ｐ形ドーパントをドープされたＩＩＩ−Ｖ族材料を含む。ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、及びタリウムから選択される少なくとも１つのＩＩＩ族元素、並びに窒素、燐、砒素、アンチモン及びビスマスから選択される少なくとも１つのＶ族元素を含む。

本明細書で使用するとき、用語「注入効率」は、発光素子を通過する電子のうち、発光素子の活性領域内に注入される比率を指す。

本明細書で使用するとき、用語「内部量子効率」は、発光素子の活性領域内における、放射性である（すなわち、光子を生成する）全電子−正孔再結合事象の比率を指す。

本明細書で使用するとき、用語「取り出し効率」は、発光素子の活性領域内で発生される光子のうち、素子から脱出する比率を指す。

本明細書で使用するとき、用語「外部量子効率」（ＥＱＥ：external quantum efficiency）は、ＬＥＤを通過する電子数に対するＬＥＤから放射される光子数の比を指す。すなわち、ＥＱＥ＝注入効率×内部量子効率×取り出し効率。

本明細書で使用するとき、用語「光結合構造」は、光が第１媒質から第２媒質へ透過するのを許すように構成される構造を指す。第１媒質は第１屈折率を有し、第２媒質は、第１屈折率と異なってよい第２屈折率を有する。光結合構造（又は層）は第１媒質からの光を第２媒質に結合する。

本明細書で使用するとき、用語「オリフィス」は開口部又は孔を意味する。オリフィスは、場合によっては、空洞である。オリフィスは、物体が通り抜けてよい開口部（ベント、口、又は孔等）を含む。実施形態によっては、オリフィスはくぼんだ領域である。場合によっては、オリフィスはエッチバック領域である。オリフィスは、以下のものに限定されるわけではないが、金属又は半導体材料を含む材料を充填することができる。

シリコンは、シリコン用に適合された商用の半導体製作手法を用いることができること等の種々の利点を提供するが、シリコン基板上におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤの形成は種々の制限を課す。例として、シリコンと窒化ガリウムとの間の格子不整合及び熱膨張係数の不整合は、窒化ガリウム薄膜形成時に転位等の欠陥を発生する構造応力を引き起こす。

ＬＥＤは種々の半導体素子層で形成されてよい。状況によっては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ＬＥＤが、他の半導体材料より好ましくなり得る素子パラメータ（例えば、光の波長、外部量子効率）を提供する。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、光電光学用途並びに高出力及び高周波数素子において用いられてよい２成分ＩＩＩ−Ｖ族直接バンドギャップ半導体である。

ＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤは、シリコン、ゲルマニウム、サファイア、又は炭化珪素（ＳｉＣ）等の種々の基板上に形成されてよい。シリコンは、所定の期間内に形成されるＬＥＤの数を最大化するのに役立つ大きなウェーハサイズの使用に加えて、現在の製造及びプロセス手法を使用できること等の、他の基板を上回る種々の利点を提供する。図１は、基板１０５と、基板１０５に隣接するＡｌＮ層１１０と、ＡｌＮ層１１０に隣接するＡｌＧａＮ層１１５と、バッファ層１１５に隣接するｎ形ＧａＮ（「ｎ−ＧａＮ」）層１２０と、ｎ−ＧａＮ層１２０に隣接する活性層１２５と、活性層１２５に隣接する電子ブロッキング（例えば、ＡｌＧａＮ）層１３０と、電子ブロッキング層１３０に隣接するｐ形ＧａＮ（「ｐ−ＧａＮ」）層１３５と、を有するＬＥＤ１００を示す。電子ブロッキング層１３０は、ｐ−ＧａＮ層１３５内における電子の正孔との再結合を最小限に抑えるように構成される。場合によっては、ＬＥＤ１００はＡｌＧａＮ層１１５とｎ−ＧａＮ層１２０との間にｕ形ＧａＮ（「ｕ−ＧａＮ」）層を含む。ｕ−ＧａＮ層は、ＡｌＧａＮ層１１５とｎ−ＧａＮ層１２０との間の合着の強化を提供してよい。基板１００はシリコンで形成されてよい。状況によっては、ＬＥＤ１００は、ｐ−ＧａＮ層１３５に隣接する基板１４０（基板２）を含む。このような場合には、基板１０５は除外されてもよい。場合によっては、ＡｌＧａＮ層１１０はバッファ層１１５の一部である。

シリコンは種々の利点を提供するが、シリコン基板上におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤの形成は種々の制限を課す。一例として、シリコンと窒化ガリウムとの間の格子不整合及び熱膨張係数の不整合のために、ＬＥＤ素子内に高い欠陥密度及びクラッキングの問題をもたらし得る構造応力が発生し得る。一例では、シリコン基板上にＧａＮエピタキシャル層（本明細書においては同様に「エピ層」）を有するＬＥＤの場合、ＧａＮエピ層の厚さが増すにつれて、エピ層内の応力は増大する。応力の増大は、シリコンウェーハが反ったり、クラックを生じたりすることを招き得る。クラックの問題は、珪素ドープＧａＮ内の高い引張歪みが少なくとも一部原因となって、珪素でｎ−ドープされたＧａＮ層に対してより深刻になる。珪素ドープＧａＮ層の厚さは、クラッキングを回避するように選択されてよい。シリコン上におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体層の厚さ制限は、望ましい性能特性を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤ形成に種々の課題を課す。

場合によっては、ＬＥＤの活性層に隣接するｎ形半導体層の一部から形成される光結合層を用いて、ＬＥＤ素子の取り出し効率が改善される。光結合層は、ＬＥＤの活性層内で発生された光を、ＬＥＤ内の媒質から外部環境に結合する等、第１媒質から第２媒質に結合する。しかし、ｎ形半導体層から形成される光結合層では、ｎ形半導体層の一部が光の取り出しのために犠牲にされ、その結果、電流拡散のために有効なｎ形半導体層の厚さが減少する。このような場合には、より厚いｎ形半導体層が適切な粗面化と電流拡散の両方のために必要となってよい。しかし、厚いｎ形半導体層を用いると、クラックのない素子層の成長が難しくなる。

本明細書において提供される構造及び方法は、クラッキングを、無くすとまではいかなくても、低減し、同時に、望ましい性能特性（例えば、外部量子効率）を素子に与えるようにして、シリコン上にＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤ素子を形成することを有利に可能にする。実施形態によっては、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ｎ−ＧａＮ）層の上方の粗面化されたｕ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ｕ−ＧａＮ）層が光結合層（又は光結合構造）として用いられる。状況によっては、粗面化されたバッファ層がｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の上方に（又はそれに隣接して）設けられる。このような場合には、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の粗面化は、無くすとまではいかなくても、低減されてよく、それによって電流拡散の最適化をもたらし、同時に、比較的薄いＩＩＩ−Ｖ族半導体層の利用を有利に可能にし、それによってクラッキングの回避を助ける。

［光結合層を有する発光素子］
本発明の一態様では、発光素子が、基板と、基板に隣接するｐ形半導体層と、ｐ形半導体層に隣接する活性層と、活性層に隣接するｎ形半導体層と、を含む。発光素子は、ｎ形又はｐ形半導体層に隣接する光結合構造を含む。実施形態によっては、光結合構造のせいぜい一部はｎ形又はｐ形半導体層から形成される。

実施形態によっては、素子は、ｎ形又はｐ形半導体層と電気的に導通した電極を更に含む。場合によっては、電極は光結合層内に埋め込まれる。電極は、光結合層内に形成されるオリフィス（又は空洞）内に配置されてよい。一実施形態では、電極はｎ形又はｐ形半導体層と接触している（又は電気的に接触している）。

実施形態によっては、光結合構造（又は光結合層）は、第１屈折率を有する第１媒質からの光を、第２屈折率を有する第２に結合する。第１及び第２屈折率は異なってよい。場合によっては、第２屈折率の方が第１屈折率よりも小さい。

発光素子の動作中、活性層内で発生された光の少なくとも一部は光結合構造に向けて導かれ、光結合構造は光を種々の角度で散乱し、その少なくとも一部は発光素子の外へ導かれてよい。光結合構造は、素子の活性層によって発生された光を導くのを助けることができる。

実施形態によっては、発光素子は、約３５０ｍＡの駆動電流において、少なくとも約４０％、又は少なくとも約５０％、又は少なくとも約６０％、又は少なくとも約６５％、又は少なくとも約７０％、又は少なくとも約７５％、又は少なくとも約８０％、又は少なくとも約８５％、又は少なくとも約９０％、又は少なくとも約９５％の外部量子効率を有する。

状況によっては、光結合構造は、波形化又は粗面化された表面を有する。実施形態によっては、光結合構造は、第２表面（例えば、下面）の反対側の第１表面（例えば、上面）を有する。第１表面は、第２表面の波形よりも大きい波形を有する。第１表面は、空気又は真空等の外部環境と接触しているか、又は保護層等の１層以上の層と接触していてよい。

ｎ形及び／又はｐ形半導体層は、窒化ガリウム等のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料で形成されてよい。基板はシリコンで形成されてよい。実施形態では、ｎ形半導体層の厚さは、シリコン基板とＩＩＩ−Ｖ族半導体との間の格子不整合及び熱的不整合によって加えられる応力を最小限に抑えるように選択される。しかし、誘起される応力条件下での素子形成が望まれる場合等の、他の場合では、ｎ形半導体層の厚さは、所定のレベルの応力を維持するように選択される。

実施形態によっては、発光素子が、第１の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の第１層及び第２の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の第２層と、第１層と第２層との間の活性層とを含む。発光素子は、第２層に隣接する光結合層を有する。光結合層は第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。状況によっては、第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、第１の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料及び第２の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料と異なる。光結合層内に形成されるオリフィス（又は空洞）が光結合層の少なくとも一部を貫いて第２層に向かって延びる。状況によっては、オリフィスは光結合層の全て又は実質的に全てを貫いて延びる。オリフィス内に形成される電極が第２層への電流経路を提供する。

実施形態によっては、オリフィスは光結合層内に溝を画定する。溝は光結合層の一部又は全体に沿って延びる。この様な場合、電極は溝内に形成され、第２層と電気的に導通する。

状況によっては、第１の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの一方から選択され、第２の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの他方から選択される。一例では、第１層はｐ−ＧａＮで形成され、第２層はｎ−ＧａＮで形成される。場合によっては、第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ｕ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、及び／又はアルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。一例では、第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ｕ−ＧａＮ（すなわち、アンドープであるか又は意図的にドープされていないＧａＮ）を含む。別の例では、第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料はｎ−ＧａＮ又はｐ−ＧａＮを含む。別の例では、第３の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料はＡｌＧａＮ又はＡｌＮを含む。

場合によっては、光結合層のせいぜい一部が、光結合層に隣接するｎ形又はｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層から形成される。一例では、ＬＥＤが、基板と、基板に隣接する第１層とを含む。第１層は、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの一方を含む。ＬＥＤは、第１層に隣接する第２層を含む。第２層は、第２層の間に順方向バイアス電位を印加すると光を発生するように構成された活性材料を含む。ＬＥＤは、第２層に隣接する第３層を更に含む。第３層は、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの他方を含む。第３層に隣接して光結合構造が配置される。光結合構造は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の１層以上の層等の、１つ以上のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。光結合構造のせいぜい一部は第３層から形成される。一実施形態では、光結合構造のいくらかが第３層から形成される。別の実施形態では、光結合構造は第３層から形成されない。

ＬＥＤは、第３層に隣接して形成される電極を更に含む。電極は第３層と電気的に導通している。場合によっては、第１層はｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ｐ−ＧａＮ）を有し、第３層はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ｎ−ＧａＮ）を有する。

光結合構造は第４層及び第５層を含み、第４層はＬＥＤの第３層に隣接する。実施形態によっては、第４層は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ｕ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びアルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの１つ以上を含む。場合によっては、第４層は、ｎ形窒化ガリウム、ｕ形窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム及び窒化アルミニウムのうちの１つ以上を含む。実施形態によっては、第５層は、ｕ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びアルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちの１つ以上を含む。場合によっては、第５層は、ｕ形窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム及び窒化アルミニウムのうちの１つ以上を含む。一例では、第４層は、ｎ−ＧａＮ、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのうちの１つ以上を含み、第５層は、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのうちの１つ以上を含む。

実施形態によっては、ＬＥＤの光結合構造は、第５層に隣接する第６層を含む。このような場合には、第５層は第４及び第６層の間にある。実施形態によっては、第６層はアルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む。場合によっては、アルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、窒化アルミニウムガリウム又は窒化アルミニウムである。

光結合構造は、光結合層を越えて第３層まで延びるオリフィスを含む。オリフィスは、第４及び第５層等の、光結合構造の種々の層を通り抜ける。

一例では、発光素子は、シリコン基板と、シリコン基板の上方のｐ−ＧａＮ層と、ｐ−ＧａＮ層の上方の活性層と、活性層の上方のｎ−ＧａＮ層と、ｎ−ＧａＮ層の上方の光結合層とを含む。光結合層は、ＡｌＧａＮ及び／又はＡｌＮ、並びに場合によってはｕ−ＧａＮを含む。光結合層は、状況によっては、ｎ−ＧａＮを含む。例えば、光結合層は、ｎ−ＧａＮ層に隣接するｎ−ＧａＮサブレイヤー、ｎ−ＧａＮサブレイヤーの上方のｕ−ＧａＮサブレイヤー、並びにｕ−ＧａＮサブレイヤーの上方のＡｌＧａＮ又はＡｌＮサブレイヤーを含んでよい。別の例として、光結合層は、ｎ−ＧａＮ層に隣接するｎ−ＧａＮサブレイヤー、並びにｎ−ＧａＮサブレイヤーの上方のＡｌＧａＮ又はＡｌＮサブレイヤーを含んでよい。光結合層は、ｎ−ＧａＮ層まで延びるオリフィスを含む。素子は、オリフィス内に形成され、ｎ−ＧａＮ層と電気的に接触した電極を含む。電気的接触は、状況によっては、オーミック接触である。

光結合層のオリフィスは、光結合層の上面から光結合層の少なくとも一部を貫いて延びる溝であってよい。溝は同様に光結合層の表面に沿って延びる。場合によっては、オリフィス内に形成される電極が、オリフィスの少なくとも一部又は実質的に全体に沿って延びる線である。電極は光結合層によって側方が境界づけられる。状況によっては、電極は光結合層内に埋め込まれる。代替的に、光結合層のオリフィスは、光結合層の上面から光結合層の少なくとも一部を貫いて延びるビア（又は貫通孔）である。場合によっては、オリフィスは光結合層の全て又は実質的一部を貫いて延びる。

実施形態によっては、ｎ形及びｐ形半導体層はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料で形成される。一例では、ｎ形及びｐ形半導体層は窒化ガリウムを含む。このような場合には、ｎ形半導体層は、窒化ガリウム、及びｎ形ドーパント、例えば珪素等、を含み、ｐ形半導体層は、窒化ガリウム、及びｐ形ドーパント、例えばマグネシウム等、を含む。

実施形態によっては、光結合構造はＩＩＩ−Ｖ族材料の種々の組み合わせで形成される。実施形態によっては、光結合構造は、第１層（又はサブレイヤー）、及び第１層に隣接する第２層を含む。一例では、第１層はｕ形ＧａＮ（ｕ−ＧａＮ）を含み、第２層は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。別の例では、第１層はＡｌＧａＮを含み、第２層はＡｌＮを含む。光結合層の少なくとも一部はｎ形半導体層で形成されてよい。別の例では、第１層はｎ−ＧａＮで形成され、第２層はｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮで形成される。場合によっては、光結合層は、第２層に隣接する半導体材料の第３層を含む。一例では、第３層は、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。

発光素子は、ｎ形半導体層と電気的に導通した第１電極と、ｐ形半導体層と電気的に導通した第２電極とを含む。場合によっては、第１電極が光結合層に隣接し、第２電極が基板に隣接する。第１電極は、チタン、アルミニウム、ニッケル、白金、金、銀、ロジウム、銅、及びクロムのうちの１つ以上を含んでよい。第２電極は、アルミニウム、チタン、クロム、白金、ニッケル、金、ロジウム及び銀のうちの１つ以上を含んでよい。場合によっては、第２電極は、白金、ニッケル、銀、ロジウム及び金のうちの１つ以上で形成される。

実施形態によっては、第１電極はｎ形半導体層の一部を覆う。第１電極の形状及び分布は、第１電極による、発光素子から発出する光の妨害を最小限に抑えるように選択されてよい。場合によっては、第１電極は光結合層内に埋め込まれる。

光結合層（又は構造）は、場合によっては、例えば、バッファ材料の粗面化された層等の、粗面化された層である。一実施形態では、光結合層は、約１０ｎｍ〜３ミクロン、又は約１００ｎｍ〜２ミクロン、又は約２００ｎｍ〜１．５ミクロンの厚さを有する。別の実施形態では、オリフィスの底部（又は床）は、約１ｎｍ〜５００ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜１００ｎｍである波形を有してよい。

実施形態によっては、光結合層は、粗面化された層である。粗面化された層は、場合によっては、突起を有する。実施形態によっては、光結合層は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜３マイクロメートル（「ミクロン」）、又は約１００ｎｍ〜２ミクロン、又は約２００ｎｍ〜１．５ミクロンである粗さ（又は波形）を有する。他の実施形態では、光結合層は、約１０ｎｍ以上、又は約５０ｎｍ以上、又は約１００ｎｍ以上、又は約２００ｎｍ以上、又は約３００ｎｍ以上、又は約４００ｎｍ以上、又は約５００ｎｍ以上、又は約１０００ｎｍ以上である波形を有する。

実施形態によっては、光結合層は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜３マイクロメートル（「ミクロン」）、又は約１００ｎｍ〜２ミクロン、又は約２００ｎｍ〜１．５ミクロンのサイズ（例えば、高さ）を有する突起を有する。他の実施形態では、光結合層は、約１０ｎｍ以上、又は約５０ｎｍ以上、又は約１００ｎｍ以上、又は約２００ｎｍ以上、又は約３００ｎｍ以上、又は約４００ｎｍ以上、又は約５００ｎｍ以上、又は約１０００ｎｍ以上のサイズを有する突起を有する。

オリフィス（又は空洞）は、光結合層、又はｎ形半導体層等の光結合層の下側の層の一部を露出させる。場合によっては、露出部分は、光結合層の波形よりも小さい波形を有する。実施形態によっては、露出部分は、約５００ナノメートル（ｎｍ）以下、又は約３００ｎｍ以下、又は約２００ｎｍ以下、又は約１００ｎｍ以下である波形を有する。露出部分は、約１ｎｍ〜５００ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜１００ｎｍである波形を有してよい。

光結合層、及びオリフィスのくぼんだ表面（すなわち、オリフィスの底部）の波形、又は表面粗さは、走査トンネル顕微鏡法（ＳＴＭ：scanning tunneling microscopy）、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ：atomic force microscopy）、又はラマン分光法等の種々の表面散乱技法等の、種々の表面分光ツールを用いて測定されてよい。波形は、光結合層の部分の高さ（例えば、底部−頂部間距離）に対応してよい。

場合によっては、オリフィスは１つ以上の側壁及び床を含む。状況によっては、オリフィスは箱形又は矩形である。他の場合では、オリフィスは半円形又は半楕円形である。このような場合には、オリフィスは床を有しなくてよい。オリフィスは、（光結合層の表面に沿った）第１の寸法であって、この第１の寸法に垂直な第２の寸法よりも長い、第１の寸法を有する線であってよい。代替的に、第１及び第２の寸法は実質的に同じであってもよい。このような場合のオリフィスは、ビア型の構造であってよい。

場合によっては、光結合層は、光結合層の表面に配置される１つ以上の光結合部分を含む。実施形態によっては、光結合部分は突起である。光結合部分は散乱性の光透過材料で形成されてよい。実施形態によっては、光結合部分の個々の部分は、３次元円錐又は角、あるいは２次元幾何断面を有する線等、２次元状又は３次元状であってよい。個々の光結合部分は、活性層から離れる方向に向いた軸に沿って減少する幅を有してよい。一実施形態では、個々の光結合部分は三角形断面を有する。別の実施形態では、個々の光結合部分はピラミッド形又は実質的にピラミッド形である。他の場合では、個々の光結合部分は、活性層から離れる方向に向いた軸に沿って実質的に一定の幅を有する。一実施形態では、個々の光結合部分は、正方形又は矩形である断面を有する。一例では、個々の光結合部分は棒状である。光結合層の表面における波形は、第１媒質からの光の第２媒質への結合を最適化するように選択されてよい。第１媒質は発光素子の内部にあってよく、第２媒質は発光素子の外部にあってよい。

実施形態によっては、基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン及びサファイア、炭化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、銅、タングステン、モリブデンのうちの１つ以上、並びにそれらの結合体を含む。特定の実装では、基板は、例えばｐ形シリコン等の、シリコンである。

状況によっては、発光素子は、基板とｐ形半導体層との間に光反射体を更に含む。光反射体は、銀、白金、金及びニッケル、ロジウム及びインジウムのうちの１つ以上で形成されてよい。

実施形態によっては、活性層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を有する活性材料を含む。場合によっては、活性材料は、多重量子井戸（ＭＱＷ）材料等の量子井戸活性材料である。一実施形態では、活性層は、交互になった井戸層（又はサブレイヤー）並びにバリア（又はクラッド）層を含む。一例では、活性層は、窒化インジウムガリウム及び／又は窒化インジウムアルミニウムガリウムで形成される井戸層を含む。このような場合には、バリア層は窒化ガリウムで形成されてよい。別の例では、活性層は、窒化アルミニウムガリウムで形成される井戸層を含む。このような場合には、バリア層は窒化アルミニウム又は窒化ガリウムで形成されてよい。活性層の活性材料は、２つ以上の元素において、組成的に傾斜していてもよい（本明細書において「傾斜した」とも言う）。一例では、活性層は、傾斜した窒化インジウムガリウム、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ、ただし、‘ｘ’は０〜１の数、及びＧａＮで形成されるバリア（又はクラッド）層を含む。このような層の組成は活性層の第１の側から第２の側へと変化してよい。状況によっては、井戸層がアクセプタ材料を含み、かつ／又はバリア層がドナー材料を含む。実施形態によっては、バリア材料は、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム及び窒化アルミニウムのうちの１つ以上を含み、井戸材料は、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムガリウムのうちの１つ以上を含む。

代わりとして、活性層はＡｌＧａＩｎＰで形成される。場合によっては、ＡｌＧａＩｎＰ含有量子井戸活性層が、ＡｌＧａＩｎＰで形成される１層以上の井戸層、及びＡｌＩｎＰで形成される１層以上のバリア層を含む。

他の実施形態では、発光素子は、ｐ形半導体層に隣接する光結合構造を含む。一例では、発光素子が、基板と、基板に隣接するｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体を有する第１層と、第１層に隣接する活性層と、活性層に隣接するｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体を有する第２層と、第２層に隣接する光結合構造と、を含む。ｎ形及びｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体は窒化ガリウムで形成されてよい。基板はシリコンで形成されてよい。光結合構造は単一の層又は複数の層を含んでよい。

光結合構造は、光結合構造を少なくとも一部貫いて延びるオリフィスを含む。状況によっては、オリフィス（例えば、溝）は光結合構造の全体を貫いて延びる。発光素子は、第２層との直接接触によるか、あるいは電極と第２層との間のドープされた層を介するなどして、第２層と電気的に導通した第１電極含む。他の場合では、オリフィスは光結合構造を貫いて第２層の上面まで延びる。このような場合、オリフィスは第２層の上面によって一部が画定される。発光素子は、第１層と電気的に導通した第２電極を含む。

図２は、本発明の一実施形態による発光素子２００を示す。素子２００は、垂直に積層されるＬＥＤ等の、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってよい。素子２００は、底部から上部へと、下電極２０５、基板２１０、光反射層２１５、ｐ形半導体層２２０、活性層２２５、ｎ形半導体層２３０、光結合層２３５、及び上電極２４０を含む。素子２００における矢印は、電極２０５及び２４０の間に電位を印加した時の電流の流れの方向を示す。上電極２４０は、光結合層２３５内に形成されるオリフィス２４５内に形成される。電極２４０は、ｎ形半導体層２３０の表面２５０においてｎ形半導体層２３０と接触する。

活性層２２５は、井戸層及びバリア層を有する量子井戸活性層、あるいは複数の井戸層及びバリア層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層であってよい。一例では、活性層２２５は、交互になったＧａＮバリア層並びに窒化インジウムガリウム又は窒化アルミニウムインジウムガリウム井戸層で形成される。活性層２２５は、活性層２２５内における電子と正孔の再結合時に光を発生するように構成される。

光結合層２３５は、素子２００内で発生され、ｎ形半導体層２３０から発出する光を、素子２００の外部の環境、又は光結合層２３５の上方の別の層に結合するように構成される。一実施形態では、光結合層２３５は、第１屈折率を有するｎ形半導体２３０層から、第１屈折率よりも低い第２屈折率を有する材料又は環境への光の透過を促進する。

光反射層２１５は、活性層２２５内で発生された光を光結合層２３５に向けて反射するように構成された材料で形成される。光反射層２１５の助けにより、活性層２２５内で最初に発生され、基板２１０に向かう方向をもった光は、光反射層２１５によって活性層２２５及び光結合層２３５に向けて反射される。場合によっては、光反射層２１５は反射性のｐ形電極で形成される。他の場合では、光反射層は、銀、プラチナ、金、ニッケル、アルミニウム、ロジウム及びインジウムで形成される。状況によっては、光反射層２１５は全方向性の反射体である。

素子２００は１層以上の追加の層を含んでよい。例えば、素子２００は、活性層２２５内におけるＶ字形状ピット（又はＶ字状欠陥）の形成を促進するように構成されるｎ形半導体層２３０と活性層２２５との間のピット発生層を含んでよい。一実施形態では、素子２００は、ｐ形半導体層２２０内における電子−正孔再結合を最小限に抑えるように構成される、ｐ形半導体層２２０と活性層２２５との間の電子ブロッキング層を含む。

状況によっては、ｎ形半導体層２３０は、ｎ形窒化ガリウム等の、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。場合によっては、ｐ形半導体層２２０は、ｐ形窒化ガリウム等の、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。一例では、ｎ形半導体層２３０は珪素を用いてｎ形にドープされる。別の例では、ｐ形半導体層２２０はマグネシウムを用いてｐ形にドープされる。

実施形態によっては、光結合層２３５は１つ以上の半導体材料で形成される。状況によっては、光結合層２３５はバッファ層材料で形成される。光結合層２３５は、第１の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体と第２の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体との間等、第１の種類の半導体材料と第２の種類の半導体材料との間で組成的に傾斜していてよい。代替的に、光結合層２３５は、組成的に傾斜していない１層以上の不連続的な層を含む。

状況によっては、光結合層（又は構造）２３５は、一般的に化学式Ｍ１_ｘＭ２_１−ｘＣ_ｙの材料を有する複数のサブレイヤー（又は層）を含む。ただし、‘Ｍ１’及び‘Ｍ２’はＩＩＩ族材料であり、‘Ｃ’はＶ族材料である。場合によっては、光結合層２３５は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、ただし‘ｘ’は０〜１の数、から選択される複数の層を含む。例えば、光結合層２３５は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ及びｕ形ＧａＮから選択される１つ以上の材料を含んでよい。一例では、光結合層２３５は、ｕ形ＧａＮ層（すなわち、ｕ−ＧａＮを有する層）、及びＡｌＧａＮ層（すなわち、ＡｌＧａＮを有する層）を含む。別の例では、光結合層２３５は、ｕ形ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、及びＡｌＮ層（すなわち、ＡｌＮを有する層）を含む。別の例では、光結合層２３５は、ｎ−ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層を含む。別の例では、光結合層２３５は、ｎ−ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を含む。光結合層２３５はＡｌＮ層を含んでもよい。別の例では、光結合層２３５は、ｕ−ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を含む。光結合層２３５はＡｌＮ層を含んでもよい。ｕ−ＧａＮ層は、場合によっては、任意追加のものである。

状況によっては、光結合層２３５はｕ形半導体材料で形成される。一実施形態では、光結合層２３５は、ｕ形窒化ガリウム（ｕ−ＧａＮ）等の、ｕ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。光結合層２３５は、ｕ形半導体材料の上方の、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（例えば、ＡｌＧａＮ）等の、半導体材料層を含んでよい。実施形態によっては、光結合層２３５は、ｎ形半導体材料（例えば、ｎ−ＧａＮ）の層、及びｕ形半導体材料の層を含む。ｎ形半導体材料の層はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層２３０の一部から形成されてよい。

状況によっては、光結合層２３５はアルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（例えば、ＡｌＧａＮ）から形成される。状況によっては、光結合層２３５はＩＩＩ−Ｖ族半導体の追加の層を含む。一例では、光結合層はＡｌＧａＮの層及びＡｌＮの層を含む。ＡｌＧａＮの層はｎ形半導体層２３０に隣接して配置される。実施形態によっては、光結合層２３５は、ｎ形半導体材料の層、並びにＡｌＧａＮ層及び／又はＡｌＮ層等の、ｎ形半導体材料の層に隣接する１層以上のアルミニウム含有層を含む。ｎ形半導体材料の層は、場合によっては、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層２３０の一部から形成されてよい。光結合層２３５は、ｎ形半導体層２３０と１層以上のアルミニウム含有層との間の、ｕ−ＧａＮ等の、ｕ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体の層を含んでよい。

下電極２０５は基板２１０に隣接して形成される。下電極２０５は基板及び光反射層２１５を通じてｐ形半導体層２２０と電気的に導通している。状況によっては、素子２００は下電極２０５と基板２１０との間に１層以上の追加の層を含む。

上電極２４０はオリフィス２４５内に形成される。上電極２４０はｎ形半導体層２３０と電気的に導通している。図示のように、上電極２４０はｎ形半導体層２３０と接触する。接触は、場合によっては、オーミック接触である。状況によっては、素子２００は上電極２４０とｎ形半導体層２３０との間に１層以上の追加の層を含む。

代替的に、ｐ形半導体層２２０とｎ形半導体層２３０は逆にされる。すなわち、光結合層２３５がｐ形半導体層に隣接し、ｎ形半導体層が基板２１０と活性層２２５との間に配置される。

図３は、本発明の一実施形態による発光素子３００を示す。素子３００は、底部から上部へと、半導体層３０５、光結合層（又は構造）３１０及び電極３１５を含む。光結合層３１０は、第１層（又はサブレイヤー）３２０及び第２層（又はサブレイヤー）３２５を含む。光結合層３１０は光結合部分３３０を含む。電極３１５は光結合層３１０の空洞（又は開口部）３３５内に形成される。電極３１５は半導体層３０５と接触する。

一実施形態では、半導体層３０５はｎ形半導体で形成される。別の実施形態では、半導体層３０５はｐ形半導体で形成される。場合によっては、半導体層３０５はｎ形又はｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。一例では、半導体層３０５はｎ−ＧａＮで形成される。

第１層３２０は半導体材料で形成される。状況によっては、第１層はｎ形又はｐ形半導体材料で形成される。第１層３２０はＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成されてよい。一例として、第１層はｎ−ＧａＮで形成される。別の例として、第１層３２０はｕ形ＧａＮで形成される。別の例として、第１層３２０はｐ−ＧａＮで形成される。別の例として、第１層３２０はＡｌＧａＮ等のアルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料で形成される。一実施形態では、第１層３２０は半導体層３０５の一部で形成される。

実施形態によっては、第２層３２５は半導体材料で形成される。状況によっては、第２層３２５はＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。一例では、第２層３２５はｕ形ＧａＮ等の窒化ガリウムで形成される。別の例では、第２層３２５は、窒化アルミニウムゲルマニウム又は窒化アルミニウム等の、アルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。

光結合構造３１０は、第２層３２５に隣接する第３層を含んでよい。第３層は、アルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮ）等の、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を含んでよい。

電極３１５は１つ以上の元素金属で形成される。実施形態によっては、電極３１５は、チタン、アルミニウム、ニッケル、白金、金、銀、ロジウム、銅及びクロムのうちの１つ以上で形成される。

実施形態によっては、第１層３２０は第１の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成され、第２層３２５は第２の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。

状況によっては、光結合層３１０は、ｕ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ｎ形又はｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体、あるいはアルミニウム含有ＩＩＩ−Ｖ族半導体の単一の層等の、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の単一の層で形成される。

一例では、第１層３２０はｕ−ＧａＮで形成され、第２層３２５はＡｌＧａＮ又はＡｌＮで形成される。場合によっては、光結合層３１０は第２層３２５の上方に第３層を含む。第３層はＡｌＧａＮ又はＡｌＮで形成されてよい。別の例として、第１層３２０はｎ−ＧａＮ（例えば、珪素ドープＧａＮ）で形成され、第２層３２５はｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮで形成される。このような構成は、半導体層３０５が珪素ドープＧａＮ等のｎ−ＧａＮで形成される場合に用いられてよい。別の例として、第１層３２０はｎ−ＧａＮで形成され、第２層３２５はＡｌＧａＮで形成され、第３層（不図示）はＡｌＮで形成される。別の例として、第１層３２０はｎ−ＧａＮで形成され、第２層３２５はｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのうちの１つで形成され、第３層はｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのうちの他のもので形成される。別の例として、光結合層３１０は、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮを有する単一の層で形成される。

状況によっては、光結合層３１０は、素子３００を形成するために用いられるバッファ層材料で形成される。バッファ層材料は、場合によっては、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのうちの１つ以上等の、１つ以上のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む。光結合層３１０は、先行する処理作業（下記参照）からバッファ層を粗面化することによって形成されてよい。

光結合層３１０は、１層、又は２層、又は３層、又は４層、又は５層、又は６層、又は７層、又は８層、又は９層、又は１０層、又はより多くの層で形成されてよい。例えば、光結合層３１０はｕ−ＧａＮ、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を含んでよく、その他の層は含まなくてよい。別の例として、光結合層３１０は、ｕ−ＧａＮ層並びにＡｌＧａＮ（又はＡｌＮ）層で形成される。別の例として、光結合層３１０は、ｎ−ＧａＮ層並びにｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮ層で形成される。別の例として、光結合層３１０はＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層で形成される。別の例として、光結合層３１０は、ｎ−ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層で形成される。光結合層３１０は任意追加的なｕ−ＧａＮ層を含んでよい。

実施形態によっては、光結合部分３３０は２次元状又は３次元状である。状況によっては、光結合部分３３０は、三角形断面を有する（例えば、紙面内に向かう）線である。代替的に、光結合部分３３０は正方形又は矩形断面を有してもよい。他の状況では、光結合部分３３０は３次元状である。このような場合には、光結合部分３３０は円錐状又はピラミッド形であってよい。代替的に、光結合部分３３０は棒状であってもよい。

実施形態によっては、素子３００は１層以上の追加の層を含む。一例では、素子３００は、半導体層３０５の下側の活性層、及び活性層の下側の別の半導体層３０５を含む。活性層は、活性層内における電子と正孔の再結合時に光を発生するように構成される。活性層内で発生された光の一部は光結合層３１０に向けて導かれ、光結合層３１０は光を種々の角度で散乱し、その少なくとも一部は素子３００の外へ導かれてよい。したがって、光結合層３１０は、素子３００によって発生される光のうち、素子の外へ導かれる割合を増加させてよい。

実施形態によっては、光結合層３１０は、約１０ｎｍ〜３ミクロン、又は約１００ｎｍ〜２ミクロン、又は約２００ｎｍ〜１．５ミクロンの波形を有する。場合によっては、光結合層３１０は、０．５ミクロンよりも小さい波形を有する。波形は、図３において「Ｄ」によって示されているように、個々の部分の最高点と個々の部分の最下点との間の距離に対応する。電極３１５は、Ｄよりも大きい高さ（Ｈ）を有する。他の場合では、電極３１５は、Ｄ以下である高さを有する。

電極３１５は空洞（又はオリフィス）３３５内に配置され、半導体層３０５の表面３４０において半導体層３０５と接触する。このような構成が半導体層３０５から電極３１５への電流経路を提供する。電極３１５と半導体層３０５との間の接触はオーム性であってよい。これは素子３００からの電子の取り出し効率を最大化する。

実施形態によっては、オリフィス３３５の底部（又は床）３４０は、約１ｎｍ〜５００ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜１００ｎｍである波形を有する。場合によっては、底部３４０の波形は、約０。５ミクロン、又は０。１ミクロン、又は０。０１ミクロン未満である。底部３４０の波形は光結合層３１０の波形よりも小さい。

実施形態によっては、光結合層３１０は、第１屈折率を有する第１媒質からの光を、第２屈折率を有する第２媒質に結合する。一実施形態では、光結合層３１０（光結合部分３３０を含む）は、半導体層３０５等の、素子３００の内部の媒質からの光を、（例えば、素子３００の外部等の）光結合層３１０の上側の媒質に結合する。

一例では、発光素子がシリコン基板の上方にＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む。図４は、一実施形態による、底部から上部へと、コンタクト層４０５、基板４１０、反射層４１５、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４２０、活性層４２５、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０、光結合層４３５、及び電極４４０を有する発光素子４００を示す。コンタクト層４０５は、素子４００と、トランジスタアウトライン（ＴＯ：transistor outline）ヘッダ又はメタルコアプリント配線板（ＭＣＰＣＢ：metal core printed circuit board）等のパッケージ基板との間の電気的接触を提供するためのものであってよい。光結合層４３５はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０の材料の一部を含む。しかし、場合によっては、光結合層４３５はｎ形半導体層４３０の材料の一部を含まない。電極は反射性のｎ形電極で形成されてよい。電極４４０は光結合層４３５内に埋め込まれる。状況によっては、電極４４０は、光結合層４３５内に形成されたオリフィス（又は空洞）内に形成される。電極４４０はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０と電気的に導通している。場合によっては、電極４４０はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層とオーミック接触している。

基板４１０は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、又はサファイアで形成されてよい。場合によっては、基板４１０は、シリコン、ゲルマニウム、又はその他の半導体、セラミック（例えば、Ａｌ_２０_３、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム）材料、あるいは金属（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）で形成される。

反射層４１５は、光を反射するように構成された材料で形成される。一実施形態では、反射層４１５は銀で形成される。

ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４２０は、場合によっては、ｐ形ＧａＮで形成される。一実施形態では、マグネシウムを用いてｐ形ドーピングが達成される。ただし、所望の素子性能を達成するために必要に応じて他のｐ形ドーパントが用いられてもよい。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４２０は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜１０００ｎｍ、又は約５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。

活性層４２５は量子井戸活性層であってよい。実施形態によっては、活性層４２５は、複数の交互になった井戸層及びバリア層を含む多重量子井戸活性層である。状況によっては、活性層４２５は、ＧａＮバリア層、並びに窒化アルミニウムインジウムガリウム又は窒化インジウムガリウム井戸層を含む。

実施形態によっては、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０はｎ形ＧａＮで形成される。一実施形態では、珪素を用いてｎ形ドーピングが達成される。ただし、所望の素子性能を達成するために必要に応じて他のｎ形ドーパントが用いられてもよい。ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０は、約５００ｎｍ〜５マイクロメートル（「ミクロン」）、又は約１ミクロン〜３ミクロンの厚さを有する。場合によっては、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０は、約５ミクロン以下、又は約４ミクロン以下、又は約３ミクロン以下、又は約２ミクロン以下、又は約１ミクロン以下の厚さを有する。

実施形態によっては、光結合層４３５は、約１０ｎｍ〜３ミクロン、又は約１００ｎｍ〜２ミクロン、又は約２００ｎｍ〜１．５ミクロンの波形を有する。波形は、所望の素子性能を達成するように選択されてよい。電極４４０はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０の表面上に配置される。表面の波形は約１ｎｍ〜５００ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜１００ｎｍである。

状況によっては、コンタクト層４０５は基板４１０及びｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４２０と電気的に導通している。コンタクト層４０５は基板４１０とオーミック接触していてよい。素子４００は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０と電気的に導通した別の電極を含む。他方の電極は、（光結合層４３５における又はそれに隣接する）上面からｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０まで延びる孔又はビアを貫いて設けられてよい。

光結合層４３５は、図示のように、窒化アルミニウムゲルマニウム又は窒化アルミニウムの層で形成される。状況によっては、光結合層４３５は、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮ層に加えてｕ−ＧａＮ層を含む。場合によっては、光結合層４３５は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０とＡｌＧａＮ又はＡｌＮ層との間にｕ−ＧａＮ層を含む。

一例では、光結合層４３５はＡｌＧａＮ層で形成される。別の例では、光結合層４３５はＡｌＮ層で形成される。別の例では、光結合層４３５は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０の上方のＡｌＧａＮ層、及びＡｌＧａＮ層の上方のＡｌＮ層で形成される。別の例では、光結合層４３５は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層４３０の上方のｕ−ＧａＮ層、及びｕ−ＧａＮ層の上方のＡｌＧａＮ層で形成される。このような場合には、光結合層４３５はＡｌＧａＮ層の上方にＡｌＮ層を含んでよい。
［光結合層の形成方法］

本発明の別の態様では、光結合層（又は構造）の形成方法が提供される。本明細書において提供される方法は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子用の光結合素子の形成に用いられてよい。特定の実装では、本明細書において提供される方法は、シリコン基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を有するＬＥＤ用の光結合層の形成に用いられる。

実施形態によっては、発光素子形成方法が、反応チャンバ内に基板を設けることと、基板上に１層以上の素子層を形成することとを含む。状況によっては、発光素子は、最終製品の発光素子内に含まれることになる基板上に形成される。他の状況では、基板は支持体基板であり、基板上に形成された素子構造のスタックは、最終製品内に含まれることになる別の基板に移されることになる。このような場合の支持体基板は最終製品内には含まれないことになる。実施形態によっては、基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、ＳｉＣ、及びサファイアのうちの１つ以上を含む。特定の実装では、基板はｎ形シリコン等のシリコンである。

反応チャンバは、薄膜形成用に構成された真空チャンバであってよい。場合によっては、真空チャンバは超高真空（ＵＨＶ：ultrahigh vacuum）チャンバである。低圧力環境が望まれる場合には、反応チャンバは、ターボ分子（「ターボ」）ポンプ、及び拡散ポンプ、及びメカニカルポンプのうちの１つ以上等の、１つ以上の真空ポンプを有するポンプシステムを用いて排気されてよい。反応チャンバは、前駆体流量、基板温度、チャンバ圧力、及びチャンバの排気を調整するための制御システムを含んでよい。

成長条件は、発光素子を形成するための１つ以上のプロセスパラメータの選択に基づいて調節可能である。実施形態によっては、成長条件は、成長温度、キャリアガス流量、前駆体流量、成長速度及び成長圧力のうちの１つ以上から選択される。

本明細書において説明されている方法には種々の原料ガス（又は前駆体）が用いられてよい。ガリウム前駆体は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：trimethylgallium）、トリエチルガリウム、塩化ジエチルガリウム及び水素化配位ガリウム化合物（例えば、水素化ジメチルガリウム）のうちの１つ以上を含んでよい。アルミニウム前駆体は、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡＬ：tri-isobutyl aluminum）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：trimethyl aluminum）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ：triethyl aluminum）、及び水素化ジメチルアルミニウム（ＤＭＡＨ：dimethylaluminum hydride）のうちの１つ以上を含んでよい。インジウム前駆体は、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：trimethyl indium）及びトリエチルインジウム（ＴＥＩ：triethyl indium）のうちの１つ以上を含んでよい。窒素前駆体は、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、及びアンモニア及び／又はＮ_２のプラズマ励起化学種のうちの１つ以上を含んでよい。ｐ形ドーパント前駆体は、いくつかの例を挙げれば、ホウ素前駆体（例えば、Ｂ_２Ｈ_６）、マグネシウム前駆体（例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、アルミニウム前駆体のうちの１つ以上を含んでよい。ｎ形前駆体は、いくつかの例を挙げれば、珪素前駆体（例えば、ＳｉＨ_４）、ゲルマニウム前駆体（例えば、テトラメチルゲルマニウム、テトラエチルゲルマニウム、四塩化ジメチルアミノゲルマニウム、イソブチルゲルマン）及びリン前駆体（例えば、ＰＨ_３）のうちの１つ以上を含んでよい。

場合によっては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２及びＨ_２のうちの１つ以上を含むキャリアガスを用いて反応チャンバに１つ以上の前駆体が提供される。一実施形態では、活性層の形成の間のキャリアガスの流量は約１リットル／分〜２０リットル／分である。

図５は、本発明のいくつかの実施形態による発光素子形成方法５００を示す。場合によっては、第１基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、セラミック材料（例えば、アルミナ、ＡｌＮ）及び金属材料（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）から選択される。一実装では、第１基板はシリコンである。

第１の作業５０５では、反応チャンバ内に提供された第１基板において、第１基板に隣接してバッファ層が形成される。バッファ層は、反応チャンバ内にバッファ層の１つ以上の前駆体を誘導し、基板を１つ以上の前駆体に曝露することによって形成される。実施形態によっては、バッファ層はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料で形成される。状況によっては、バッファ層は、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層を有し、ＡｌＮ層が第１基板に直接隣接するスタックで形成される。このような場合には、ＡｌＮ層は、反応チャンバ内にアルミニウム前駆体及び窒素前駆体を誘導することによって形成され、ＡｌＧａＮ層は、反応チャンバ内にアルミニウム前駆体、ガリウム前駆体及び窒素前駆体を誘導することによって形成される。アルミニウム前駆体はＴＭＡであってよく、ガリウム前駆体はＴＭＧであってよく、窒素前駆体はＮＨ_３であってよい。場合によっては、バッファ層は、ＡｌＧａＮ層に隣接するｕ−ＧａＮ層を含む。ｕ−ＧａＮ層は、反応チャンバ内にガリウム前駆体及び窒素前駆体を誘導することによって形成されてよい。

次に、作業５１０では、バッファ層に隣接してｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層が形成される。ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＩＩＩ族前駆体、Ｖ族前駆体、及びｎ形ドーパントの前駆体を反応チャンバ内に誘導することによって形成される。一例では、ｎ−ＧａＮを含むｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層において、ｎ−ＧａＮ層は、ガリウム前駆体、窒素前駆体、及びｎ形ドーパントの前駆体を反応チャンバ内に誘導することによって形成される。ｎ形ドーパントが珪素である場合には、ｎ形ドーパントの前駆体はシラン（ＳｉＨ_４）であってよい。

次に、作業５１５では、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接して活性層が形成される。実施形態によっては、活性層は、多重量子井戸（ＭＱＷ）材料等の、量子井戸材料を含む。活性層は、１層以上のバリア層と交互になった１層以上の井戸層を形成することによって形成される。一例では、活性層は、ＧａＮ（又はＡｌＮ）バリア層、並びに及び窒化インジウムガリウム又は窒化アルミニウムインジウムガリウム井戸層を含む。このような場合には、活性層は、反応チャンバ内に、バリア層を形成するために、ガリウム（又はアルミニウム）前駆体及び窒素前駆体を誘導し、その後、井戸層を形成するために、インジウム前駆体、ガリウム前駆体及び窒素前駆体（及び、窒化アルミニウムインジウムガリウム井戸層が所望される場合には、アルミニウム前駆体）を反応チャンバ内に誘導することによって形成される。このような作業が、所定の数のバリア層及び井戸層スタック（又は周期）を有する活性層を形成するために、所望に応じて繰り返されてよい。一例では、作業は、少なくとも１周期、又は少なくとも１０周期、又は少なくとも２０周期、又は少なくとも５０周期、又は少なくとも１００周期を有する活性層が形成されるまで繰り返される。

次に、作業５２０では、活性層に隣接してｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層が形成される。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＩＩＩ族前駆体、Ｖ族前駆体、及びｐ形ドーパントの前駆体を反応チャンバ内に誘導することによって形成される。一例では、ｐ−ＧａＮを含むｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層において、ｐ−ＧａＮ層は、ガリウム前駆体、窒素前駆体及びｐ形ドーパントの前駆体（例えば、マグネシウムドーパントのためにはビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を反応チャンバ内に誘導することによって形成される。場合によっては、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の形成に続き、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に反射性材料（例えば、Ａｇ）の層が形成される。その後、反射性材料の層の上方に保護金属層が形成されてよい。場合によっては、保護金属層は、金、白金、チタン、タングステン、ニッケルのうちの１つ以上を含む。保護金属層は、物理気相成長（例えば、マグネトロンスパッタ）等の、種々の堆積技法を用いて形成されてよい。

次に、作業５２５では、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接して第２基板が設けられる。場合によっては、第２基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、セラミック材料（例えば、アルミナ、ＡｌＮ）及び金属材料（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）から選択される。状況によっては、第２基板は、第２基板をｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と接触させることによって、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接して設けられる。他の場合では、第２基板はその上に、未完成発光ダイオード（すなわち、第１基板の上方にｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含む素子スタック）への第２基板の接合を助けるための金属材料の層が形成される。一実施形態では、金属材料は、例えば、銀−錫−銅合金又は金−錫合金（例えば、８０％金、２０％錫）等の、インジウム、銅、銀、金および錫から選択される１つ以上の金属を含む。金属材料の層は、物理気相成長（例えば、マグネトロンスパッタ、蒸発堆積）等の、種々の堆積技法を用いて形成されてよい。次に、作業５３０では、バッファ層を露出させるために、第１基板が除去される。

次に、作業５３５では、バッファ層及び、場合によっては、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層から光結合層が形成される。光結合層は、形成時、バッファ層の少なくとも一部を貫いて延びる開口部（又はオリフィス）を有する。実施形態によっては、光結合層は、バッファ層を粗面化することによって形成される。

次に、作業５４０では、開口部内に電極が設けられる。一実施形態では、電極は、スパッタリング等の物理気相成長法を用いて形成される。電極はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と電気的に導通している。一例では、電極はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と電気的に接触している。

場合によっては、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の少なくとも一部が粗面化され、一方、残り（ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の、オリフィス内の部分等）は粗面化されない。

方法５００の作業のうちの１つ以上の間、基板は、発光素子の形成を促進するために加熱される。一例では、活性層の形成（作業５１５）の間、基板は約７５０℃〜８５０℃の温度に加熱される。

図６Ａ〜６Ｌは、本発明の一実施形態による光結合層形成方法を模式的に示す。図６Ａは、ｎ−ＧａＮ層６０５と、ｎ−ＧａＮ層６０５の上方のバッファ層６１０と、を有する発光素子６００を示す。ｎ−ＧａＮ層は、シリコン基板等の基板の上方に形成された活性層及びｐ−ＧａＮ層（不図示）の上方に形成される。次に、図６Ｂを参照すると、バッファ層６１０の上方に金属層６１５が形成される。金属層６１５は、物理気相蒸着（例えば、スパッタリング）等の種々の堆積方法を用いてバッファ層６１０上に形成されてよい。金属材料は、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｎｉ及びＰｔのうちの１つ以上を含んでよい。

次に、図６Ｃを参照すると、感光材料を有する感光層６２０が金属層６１５上に堆積される。場合によっては、感光材料はフォトレジストである。一例では、感光材料は、１５７ｎｍ、１９３ｎｍ、２４８ｎｍ又は３６５ｎｍ波長フォトレジストシステム、１９３ｎｍ波長液浸システム、極端紫外線システム（１３。７ｎｍシステムを含む）、又は電子ビームリソグラフィシステムに適合したフォトレジストである。フォトレジスト材料の例としては、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）感応性フォトレジスト、すなわち、ＡｒＦ光源とともに使用するのに適したフォトレジスト、及びフッ化クリプトン（ＫｒＦ）感応性フォトレジスト、すなわち、ＫｒＦ光源とともに使用するのに適したフォトレジスト、が挙げられる。ＡｒＦフォトレジストは、比較的短い波長の光、例えば１９３ｎｍ、を利用するフォトリソグラフィシステムとともに使用されてよい。ＫｒＦフォトレジストは、２４８ｎｍシステム等の、より長い波長のフォトリソグラフィシステムとともに使用されてよい。他の場合では、ナノインプリントリソグラフィ（例えば、レジストをパターニングするために成形型又は機械的力を用いることによる）が用いられる。

次に、図６Ｄを参照すると、金属層６１５まで延びるオリフィス６２５を画定するために、感光層６２０の所定の部分が除去される。場合によっては、感光層６２０内にオリフィス６２５を画定するために、感光層６２０の一部がレチクルを通して放射に曝露され、その後、現像される。その後、感光層６２０の曝露され現像された部分を洗浄することによって、所定の部分６２５が除去される。例えば、オリフィスは、感光層がレチクルを通して放射に曝露され、その後、現像される、２４８ｎｍ又は１９３ｎｍ光を用いるフォトリソグラフィによって、感光層内に画定される。現像後、残った感光した材料がマスク形状部を形成する。

次に、図６Ｅを参照すると、金属層６１５の露出部分６２５がバッファ層６１０までエッチングされる。これは、金属層６１５を選択的にエッチングするが、感光層６２０はエッチングしない化学エッチング剤を用いて達成されてよい。好適な化学エッチング剤としては、ＫＣＮ、ＫＩ：Ｉ_２、ＨＣｌ：ＨＮＯ_３、ＨＮＯ_３：Ｈ_２Ｏ、ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２、水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウム、Ａｒイオンビームスパッタ、Ｃｌ_２プラズマ、ＨＢｒプラズマが挙げられる。

次に、図６Ｆを参照すると、バッファ層６１０の上方の金属層６１５の層を露出させるために、感光層６２０が除去される。その後、金属層６１５は、図６Ｇに示されるように、金属層から金属粒子６３０を生成するために加熱される。場合によっては、金属層６１５は、約７００℃未満、又は約６００℃未満、又は約５００℃未満、又は約４００℃未満、又は約３００℃未満の温度まで加熱される。加熱は、抵抗加熱（例えば、基板を支持するサセプタを抵抗加熱することによる、図７参照）、及び／又は赤外放射線への金属層６１５の曝露を用いて達成されてよい。金属粒子６３０は、バッファ層６１０の、金属粒子６３０の間の部分を露出させる。

次に、図６Ｈを参照すると、光結合層６３５を画定する粗面化されたバッファ層を形成するために、バッファ層６１０がエッチングされる。金属粒子６３０は、金属粒子６３０に対して選択的である化学エッチング剤を用いて、エッチングによって取り除かれる、又は除去される。バッファ層６１０の、金属粒子６３０によって覆われていない部分はｎ−ＧａＮ層６０５までエッチングされる。実施形態によっては、バッファ層は、エッチングプロセス（例えば、ウェットエッチング又はドライエッチング）を用いるなどして、バッファ層をエッチングすることによって粗面化される。一例では、バッファ層は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、Ｃｌ_２プラズマ、及び／又はＨＢｒプラズマを用いてエッチングされる。他の実施形態では、バッファ層は、バッファ層をスパッタすることによって粗面化される。一例では、バッファ層は、バッファ層をアルゴン（Ａｒ）イオンでスパッタすることによって粗面化される。

場合によっては、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮで形成されたバッファ層６１０において、粗面化プロセスはＡｌＮ層を全て除去し、ｕ−ＧａＮ層の上方のＡｌＧａＮ層を全て又は一部残す。他の場合では、粗面化プロセスはＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層を除去するが、ｕ−ＧａＮ層の少なくとも一部を残す。他の場合では、粗面化プロセスはｎ−ＧａＮ層６０５の一部をエッチングする。それ故、光結合層６３５は、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及び／又はＡｌＮ等の、バッファ層６１０を含む材料に加えて、ｎ−ＧａＮを含んでよい。場合によっては、バッファ層６１０は、ｎ−ＧａＮ層６０５に隣接するＡｌＧａＮと、ＡｌＧａＮ層に隣接するＡｌＮ層とで形成され、粗面化プロセスは、ＡｌＮ層の一部又は全て、並びに、状況によっては、ＡｌＧａＮ層の一部をエッチングする。

次に、図６Ｉを参照すると、光結合層６３５の上方に感光層６４０が形成される。感光層６４０はフォトレジスト等の感光材料を含む。次に、図６Ｊに示されているように、感光層６４０は、その後、感光層６４０を通じてｎ−ＧａＮ層６０５まで延びるオリフィス６４５を形成するために、（例えば、レチクルを用いて）露光され、現像される。

次に、図６Ｋを参照すると、オリフィス６４５内に電極６５０が形成される。電極は、物理気相成長（例えば、スパッタリング）によるなどして、オリフィス６４５内に１つ以上の金属を堆積させることによって形成される。電極６５０は、オリフィス６４５内に、チタン、アルミニウム、ニッケル、白金、金、銀、ロジウム、銅及びクロムのうちの１つ以上を堆積させることによって形成される。電極６５０はｎ−ＧａＮ層６０５と電気的に導通する。図示の実施形態では、電極６５０はｎ−ＧａＮ層６０５と接触している。その後、感光材料は、図６Ｌに示されるように、ｎ−ＧａＮ層６０５の上方に光結合層６３５を設けるために、除去される。

代わりとして、オリフィス６２５の形成に続いて（図６Ｄ参照）、金属層６１５及びバッファ層６１０がｎ−ＧａＮ層６０５までエッチングされる（すなわち、バッファ層６１０も除去される）。次に、オリフィス６２５内に１つ以上の金属を堆積させることによって、電極６５０が形成される。その後、バッファ層６１０の上方に金属粒子を形成するために、感光層６２０が除去され、金属層６１５が加熱される。続いて、光結合層６３５を形成するために、バッファ層６１０がエッチングされる（又は粗面化される）。このような場合には、電極６５０は、感光層６４０及び関連する処理作業を必要とすることなく、ｎ−ＧａＮ層上に形成されてよい。

実施形態によっては、種々の素子層形成の間、基板はＩＩＩ族前駆体及びＶ族前駆体に同時に曝露される。他の状況では、種々の素子層形成の間、基板はＩＩＩ族前駆体及びＶ族に交互に曝露される−例えば、ＩＩＩ族前駆体、それに続き、パージ又は排気作業を間にはさみ、Ｖ族前駆体。一般的に、素子層を形成するために複数の前駆体が必要とされる場合には、前駆体は反応チャンバ内に同時に誘導されるか又は交互に連続して誘導されてよい。

素子層は種々の堆積技法を用いて形成されてよい。実施形態によっては、素子層は、化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced CVD）、プラズマ促進ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ：plasma enhanced ALD）、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：metal organic CVD）、ホットワイヤＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ：hot wire CVD）、イニシエートＣＶＤ（ｉＣＶＤ：initiated CVD）、改良ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：modified CVD）、気相軸付け法（ＶＡＤ：vapor axial deposition）、外部気相成長（ＯＶＤ：outside vapor deposition）、及び物理気相成長（例えば、スパッタ堆積、蒸発堆積）を用いて形成される。

本明細書において提供される方法及び構造は、例えば窒化ガリウム等のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を有する発光素子との関連で説明されているが、このような方法及び構造は他の種類の半導体材料に適用されてもよい。本明細書において提供される方法及び構造は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、ヒ化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、リン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＰ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、及び窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）で少なくとも一部形成される発光素子に利用されてよい。

［発光素子形成のために構成されるシステム］
本発明の別の態様では、発光素子形成システムが、基板を保持するための反応チャンバと、この反応チャンバと流体結合し、反応チャンバをパージ又は排気するように構成されるポンプシステムと、発光素子形成方法を実装する機械可読コードを実行するためのプロセッサを有するコンピュータシステムと、を含む。コードは、本明細書において提供される方法のいずれを実装してもよい。一実施形態では、コードは、反応チャンバ内に、１つ以上のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含む光結合層（又は構造）が上に配置される基板を提供することと、光結合層の一部の上に、光結合層に隣接するｎ形半導体層及びｐ形半導体層のうちの一方と電気的に導通した電極を形成することと、を含む方法を実装する。別の実施形態では、コードは、反応チャンバ内に、バッファ層を有する基板を提供することと、光結合層を形成するためにバッファ層を粗面化することと、を含む方法を実装する。

図７は、本発明の一実施形態による発光素子形成システム７００を示す。システム７００は、発光素子を形成するために用いられる基板を保持するように構成されるサセプタ（又は基板ホルダ）７１０を有する反応チャンバ７０５を含む。システムは、第１前駆体貯蔵容器（又はタンク）７１５と、第２前駆体貯蔵容器７２０と、キャリアガス貯蔵タンク７２５と、を含む。第１前駆体貯蔵容器７１５はＩＩＩ族前駆体（例えば、ＴＭＧ）を保持するためのものであってよく、第２前駆体貯蔵容器７２０はＶ族前駆体（例えば、ＮＨ_３）を保持するためのものであってよい。キャリア貯蔵タンク７２５はキャリアガス（例えば、Ｈ_２）を保持するためのものである。システム７００は、追加の前駆体及びキャリアガスを保持するためのもの等の、他の貯蔵タンク又は容器を含んでよい。システム７００は、貯蔵容器と反応チャンバ７０５との間に、反応チャンバ７０５を貯蔵容器のそれぞれから流体的に絶縁するための弁を含む。

システム７００は、反応チャンバ７０５に真空を提供するための真空システム７３０を更に含む。真空システム７３０は反応チャンバ７０５と流体連通している。場合によっては、真空システム７３０は、仕切り弁等の弁を用いて反応空間７０５から絶縁されるように構成される。

システム７００のコントローラ（又は制御システム）７３５は、発光素子の１層以上の層の形成等の、反応チャンバ７０５内における発光素子の形成方法を促進する。コントローラ７３５は、第１前駆体貯蔵容器７１５、第２前駆体貯蔵容器７２０、キャリアガス貯蔵タンク７２５及び真空システム７３０のそれぞれの弁に通信可能に接続されている。コントローラ７３５は、サセプタ及びそのサセプタ上の基板の温度を調整するためにサセプタ７１０に操作可能に接続されるとともに、反応チャンバ７０５内の圧力を調整するために真空システム７３０に操作可能に接続されている。

状況によっては、真空システム７３０は、ターボ分子（「ターボ」）ポンプ、及び拡散ポンプ、及びメカニカルポンプのうちの１つ以上等の、１つ以上の真空ポンプを含む。ポンプは１つ以上の補助ポンプを含んでよい。例えば、ターボポンプがメカニカルポンプによって補助されてよい。

実施形態によっては、コントローラ７３５は、基板温度、前駆体流量、成長速度、キャリアガス流量及び反応チャンバ圧力等の、１つ以上のプロセスパラメータを調整するように構成される。コントローラ７３５は、場合によっては、貯蔵容器と反応チャンバ７０５との間の弁と通信する。これは反応チャンバ７０５への前駆体の流れの停止（又は調整）を助ける。コントローラ７３５は、本明細書において提供される方法を実装するように構成される機械実行可能コードの実行を助けるように構成されるプロセッサを含む。機械実行可能コードは、フラッシュメモリ、ハードディスク等の物理的記憶媒体、又はコンピュータ実行可能コードを格納するように構成される他の物理的記憶媒体上に格納される。

実施形態によっては、コントローラ７３５は、１つ以上の処理パラメータを調整するように構成される。状況によっては、コントローラ７３５は、成長温度、キャリアガス流量、前駆体流量、成長速度及び／又は成長圧力を調整する。

文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて、明細書及び特許請求の範囲全体を通じて、単数又は複数を用いた語はそれぞれ複数又は単数も含む。加えて、語「本明細書において」、「以下に」、「上記の」、「下記の」、及び同様の意味の語は、本出願を全体として指しており、本出願のいずれかの特定の部分を指すものではない。語「又は」が２つ以上の項目のリストに関して用いられる場合、その語は以下の語の解釈のすべて（リストの中の項目のいずれか、リストの中の項目のすべて及びリストの中の項目のあらゆる組み合わせ）を範囲に含む。

特定の実装が示され、説明されているが、種々の修正がそれらになされてよく、本明細書において企図されていることを上記のことから理解されたい。本発明は、本明細書内で提供される特定の例によって限定されるように意図されてもいない。本発明は上述の明細書に関連して説明されているが、本明細書における本発明の実施形態の説明及び図表は、限定の意味で解釈されるように意図されるものではない。更に、本発明の態様はすべて、様々な条件及び変数に依存する本明細書において説明されている特定の描写、構成又は相対比率に限定されるものではないことを理解されたい。本発明の実施形態の形状および細部の種々の修正が当業者には明らかであろう。したがって、本発明はこのような修正物、変形物及び同等物もすべて範囲に含むことが企図されている。

Claims (21)

1. 半導体層と、
   前記半導体層上の光結合層と、
   前記半導体層上の電極と、
   を備え、
   前記光結合層は、
   第１屈折率を有する第１層と、
   第２屈折率を有する第２層と、
   前記第１層および前記第２層の少なくとも一方に設けられた光結合部と、
   を有し、
   前記第１層は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層であり、
   前記第２層は、粗面化されたアンドープＩＩＩ−Ｖ族半導体層および粗面化されたバッファ層の少なくともいずれか一方である発光素子。
2. 前記電極は、前記光結合層に設けられた窪み中に位置する請求項１記載の発光素子。
3. 前記光結合層の窪みの底面は、１ナノメートルと５００ナノメートルとの間もしくは１０ナノメートルと１００ナノメートルとの間の波形を有する請求項２記載の発光素子。
4. 前記光結合層の窪みの底面は、０．５マイクロメートル、０．１マイクロメートルもしくは０．００１マイクロメートルよりも小さい波形を有する請求項２記載の発光素子。
5. 前記光結合層は、波形を含み、
   前記光結合層の窪みの底面は、前記光結合層の波形よりも小さい波形を有する請求項２記載の発光素子。
6. 前記半導体層は、ｎ形半導体層、ｐ形半導体層、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層またはｎ形窒化ガリウム層である請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子。
7. 前記第２層は、粗面化されたアンドープＩＩＩ−Ｖ族半導体層である請求項１〜６のいずれか１つに記載の発光素子。
8. 前記第２層は、粗面化されたバッファ層である請求項１〜７のいずれか１つに記載の発光素子。
9. 前記光結合層は、前記第２層に隣接した第３層をさらに有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の発光素子。
10. 前記第３層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、アルミニウムを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層、窒化アルミニウムガリウム層または窒化アルミニウム層を含む請求項９記載の発光素子。
11. 前記電極は、チタニウム、アルミニウム、ニッケル、白金、金、銀、ロジウム、銅およびクロムのうちの少なくとも１つを含む請求項１〜１０のいずれか１つに記載の発光素子。
12. 前記光結合層は、少なくとも第４層をさらに含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の発光素子。
13. 前記光結合部は、三角の断面、四角の断面または長方形の断面を有する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の発光素子。
14. 前記光結合部は、円錐状、角錐状もしくは柱状の複数の部分を含む請求項１〜１２のいずれか１つに記載の発光素子。
15. 前記半導体層の下に位置する活性層をさらに備えた請求項１〜１４のいずれか１つに記載の発光素子。
16. 前記活性層の下に別の半導体層をさらに備えた請求項１５記載の発光素子。
17. 前記光結合層は、１０ナノメートルと３マイクロメートルとの間、１００ナノメートルと２マイクロメートルとの間もしくは２００ナノメートルと１．５マイクロメートルとの間の波形を有する請求項１〜１６のいずれか１つに記載の発光素子。
18. 前記光結合層は、０．５マイクロメートルよりも小さい波形を有する請求項１〜１７のいずれか１つに記載の発光素子。
19. 前記電極と前記半導体層との間のコンタクトは、オーミックコンタクトである請求項１〜１８のいずれか１つに記載の発光素子。
20. 前記第１層は、前記第２層よりも前記半導体層に近接し、
    前記第２屈折率は、前記第１屈折率よりも小さい請求項１〜１９のいずれか１つに記載の発光素子。
21. 前記第２層は、前記第１層を覆う請求項１〜２０のいずれか１つに記載の発光素子。

Images