JP2001007393A - エピタキシャル層を有するＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ - Google Patents

エピタキシャル層を有するＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光抽出率を改善するために厚いエピタキシャ
ル層を有するＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤを提供する。 【解決手段】 基板と基板に結合した活性領域を有する
多層エピタキシャル構造とを含むＡｌＧａＩｎＮ発光ダ
イオード素子であって、多層エピタキシャル構造が、活
性領域の上に位置するエピタキシャル層から成る第１の
領域と、活性領域の下に位置するエピタキシャル層から
成る第二の領域と、を含み、第１及び第２の領域のエピ
タキシャル層が、アルミニウムなどからなる群より選択
した少なくとも１元素で作られた複数のエピタキシャル
層を含み、多層エピタキシャル構造が少なくとも４μｍ
の厚みを持ち、多層エピタキシャル構造の厚みによっ
て、活性領域から放出された光のうち、多層エピタキシ
ャル構造の側面を通じて抽出される光の量が増大するこ
とを特徴とするＡｌＧａＩｎＮ発光ダイオード素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に発光ダイオ
ードに関し、より具体的にはＡｌＧａＩｎＮをベースに
した発光ダイオードであって、光抽出率を改善するため
に厚いエピタキシャル層を有するＡｌＧａＩｎＮベース
ＬＥＤに関する。
【０００２】
【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）は光スペクト
ル中の特定領域にピーク波長を持つ光を生成することが
出来る固体素子として知られている。ＬＥＤは代表的に
は発光体、インジケータ及びディスプレイとして用いら
れる。窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａ
ＩｎＮ）をベースにしたＬＥＤは他の従来型のＬＥＤよ
りも高い光度で可視光スペクトル中の青及び緑領域内に
ピーク波長を持つ。ＡｌＧａＩｎＮをベースにしたＬＥ
Ｄは、その優れた光度により近年注目を集めている。
【０００３】図１は、従来技術によるＡｌＧａＩｎＮベ
ースＬＥＤの一例を概略的に描いたものである。ＡｌＧ
ａＩｎＮベースＬＥＤ１０はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基
板１２及び多層エピタキシャル構造１４を含む。多層エ
ピタキシャル構造は上部ＡｌＧａＩｎＮ領域１６、活性
領域１８及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域２０を含む。「Ａ
ｌＧａＩｎＮ」という語は本願において用いられる場
合、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素を含
むグループからの１つ以上の元素により構成された材料
と定義する。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域及び下部ＡｌＧａ
ＩｎＮ領域は複数のＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層か
ら構成される。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｐ型ＡｌＧａ
ＩｎＮエピタキシャル層から成り、下部ＡｌＧａＩｎＮ
領域はｎ型及び／又はドーピングされていないＡｌＧａ
ＩｎＮエピタキシャル層から成る。活性領域は、一般的
に量子井戸と呼ばれるものを形成する窒化インジウムガ
リウム（ＩｎＧａＮ）の１つ以上の層を含む。上部Ａｌ
ＧａＩｎＮ領域の代表的な厚さは０．５μｍよりも薄い
が、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の代表的な厚さは約２〜３
μｍである。活性領域の厚さは代表的には０．２μｍ未
満である。従って、多層エピタキシャル構造体の代表的
な最高厚は約３．７μｍである。
【０００４】上部ＡｌＧａＩｎＮ領域１６にはオームｐ
接触２２が接続しており、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域２０
の上面にはオームｎ接触２４が接続している。オーム接
触は多層エピタキシャル構造１４の活性領域１８を通じ
る電気伝導を提供するものである。上部ＡｌＧａＩｎＮ
領域の上面に位置し、オームｐ接触に電気的に接続して
いるのは半透明の金属層２６である。半透明金属層は酸
化ニッケル及び金から作ったもので良い。半透明金属層
は電流スプレッダーとして機能し、活性領域の面積全体
に電流を分配する。サファイア基板１２と導電性構造体
の間に位置するのは緩衝層２８である。緩衝層は、確実
に下部ＡｌＧａＩｎＮ領域がサファイア基板上で適正な
成長をするように遷移層として作用する。緩衝層はＡｌ
ＧａＩｎＮベース材料から作られる。
【０００５】発光作用の間はオーム接触２２及び２４へ
と電圧が印加されており、ＬＥＤ１０に順方向バイアス
がかかっている。ＬＥＤに順方向バイアスがかけられた
状態においては、上部ＡｌＧａＩｎＮ領域１６から活性
領域１８へと正孔が注入される。更に、この順方向バイ
アス状態により下部ＡｌＧａＩｎＮ領域２０から電子も
活性領域へと注入される。活性領域の量子井戸内におい
て、注入された正孔と電子が再結合し、これにより光が
放出される。発生した光は、活性領域中に描いた矢印が
示すようにあらゆる方向へと放出される。放出された光
の一部は半透明金属層を通じてＬＥＤ上面から出力光と
して出て行く。更に、光の一部は基板１２中へと放射さ
れ、素子の側面から出て行く。しかしながら、放射され
た光の多くは多層エピタキシャル構造体１４内部から、
サファイア基板の上面及びＬＥＤを覆う封止用のエポキ
シ層（図示せず）で反射した後、ＬＥＤの側面から出て
行くようになっていなければならない。このような放射
光経路の一例を３０として図示した。ＬＥＤの全体的光
出力としては、上面及び基板を介して出て行く部分は勿
論、多層エピタキシャル構造体の側面を介して出た放射
光部分も含まれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＬＥＤ１０のようなＡ
ｌＧａＩｎＮベースのＬＥＤからの光の抽出は、ＡｌＧ
ａＩｎＮエピタキシャル層内の、或はその周囲に存在す
る様々な寄生光学損失メカニズムにより制約される。こ
れらのメカニズムには、半透明金属層２６での吸収や、
緩衝層２８、活性領域１８及びＭｇを多量に添加したＧ
ａＮ接触層１６といったＬＥＤのエピタキシャル部を構
成する多数の層内で生じる吸収が含まれる。多層エピタ
キシャル構造の屈折率（ｎ＝２．４）とサファイア基板
（ｎ＝１．７７）又は封止用エポキシ層（ｎ＝１．５）
の屈折率との間には落差がある為、活性領域内で生じた
光のうち、エポキシ又は基板中へと（最初にこれらの界
面に達した時点で）逃げるのは２５％程度だけである。
残りの光はチップ上の封止用エポキシ層と基板により形
成される導波路中に閉じ込められる。閉じ込められた光
がＬＥＤの側面から出る迄には、チップ長程度の距離を
移動しなければならない。この距離の間、ＬＥＤ構造中
にある様々な損失メカニズムにさらされなければなら
ず、吸収される確率が高くなる。従って、この閉じ込め
られた光の多くは結局失われてしまい、ＬＥＤの全体的
な光出力が低下する。
【０００７】従って、様々な損失メカニズムで失われる
放射光の量を低減し、これにより素子の全体的出力を増
大させるＡｌＧａＩｎＮベースのＬＥＤ構造が必要とさ
れているのである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、素子の光抽出
効率を向上させる厚い多層エピタキシャル構造を採用し
た発光ダイオード（ＬＥＤ）及びその製造方法である。
ＬＥＤは窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧ
ａＩｎＮ）をベースにしたＬＥＤである。厚い多層エピ
タキシャル構造により、厚い多層エピタキシャル構造の
側面を介して素子を出る放射光の量が増大し、素子の光
抽出効率が高くなる。
【０００９】このＬＥＤは基板、緩衝層及び厚い多層エ
ピタキシャル構造を含む。基板はサファイアで作られた
ものが好ましい。基板又は基板上の成長層（そのような
層を設けた場合）の屈折率が多層ＡｌＧａＩｎＮエピタ
キシャル構造の屈折率（効果的にはｎが約２．４程度）
よりも充分低くさえあれば、エピタキシャル層の厚みを
増すことによる光抽出効率の改善は得られる為、他の基
板を使用することも可能である。本願の説明において
は、異なる基板であっても、その基板又はその上の成長
層の屈折率が２．１未満であれば光抽出効率の大幅な改
善が期待できるものとする。更に、基板に酸化亜鉛、ニ
酸化珪素又は他の誘電体を設けて成長中に特定の特性を
持たせるようにしても良い。推奨される実施例において
は、基板の上面に特定のテキスチャを持たせており、こ
の面に当たる光がランダム化されるようになっている。
例えば、この面を比較的に粗い研磨粒子で研磨すること
により機械的にテキスチャを作ることが出来る。緩衝層
は、基板上にＡｌＧａＩｎＮベース材料の層をエピタキ
シャル成長させることにより形成される。緩衝層は、多
層エピタキシャル構造を基板上に適正に成長させる為の
遷移層としての働きを持つ。
【００１０】多層エピタキシャル構造は上部ＡｌＧａＩ
ｎＮ領域、活性領域及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を含
む。上部及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は複数のＡｌＧａ
ＩｎＮエピタキシャル層を含む。上部ＡｌＧａＩｎＮ領
域はｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層から成り、下部ＡｌＧａＩｎ
Ｎ領域はｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層及びドーピングされてい
ないエピタキシャル層から成る。ドーピングされていな
いエピタキシャル層は、ＡｌＧａＩｎＮ層としても、Ａ
ｌＧａＩｎＮを基本成分とした他の材料の層としても良
い。活性領域は、量子井戸を形成する少なくとも１つの
ＡｌＧａＩｎＮ発光層を含む。可視スペクトルＬＥＤに
関しては、発光層は代表的にはＩｎＧａＮから構成され
る。この多層エピタキシャル構造は、従来型の多層エピ
タキシャル構造よりも厚い。この多層エピタキシャル構
造は、約４μｍ以上の厚さを持つ。一実施例において
は、多層エピタキシャル構造の厚さは約７μｍある。他
の実施例においては、多層エピタキシャル構造の厚さが
１５μｍである。しかしながら、多層エピタキシャル構
造の厚さは１５μｍよりも大きくてもかまわない。
【００１１】多層エピタキシャル構造の厚さを大きくす
ることにより、基板上面とＬＥＤを覆う封止用エポキシ
層の底面とで形成される導波路中に閉じ込められた光
が、より少ない反射回数で多層エピタキシャル構造の側
面を通じてＬＥＤから出るようになる。具体的には、多
層エピタキシャル構造の大きい厚みにより、基板の上面
又は封止用エポキシ層の底面のいずれかにおいて１回反
射するだけで多層エピタキシャル構造の側面から出て行
く光の量を増やすことが出来るのである。閉じ込められ
た光の反射回数を減らすことにより、ＡｌＧａＩｎＮエ
ピタキシャル層内部又はその周囲に存在する様々な寄生
光学損失メカニズムにより吸収される光の量が低減され
る。この低減の効果は、ＬＥＤの全体的な光出力の増大
として現れる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図２を参照すると、ここには本発
明に基づく窒化アルミニウムガリウムインジウム（Ａｌ
ＧａＩｎＮ）をベースとした発光ダイオード（ＬＥＤ）
３２が示されている。ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤは、
基板３４及び多層エピタキシャル構造３６を含む。図１
に示したＬＥＤ１０の多層エピタキシャル構造１４のよ
うな従来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの多層エピタ
キシャル構造と比較すると、ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥ
Ｄ３２の多層エピタキシャル構造３６は著しく厚い。多
層エピタキシャル構造の厚みを増すことにより、活性領
域３８で生じた光のうち、多層エピタキシャル構造の側
面を介してＬＥＤ３２を出て行く光の量が増大する。厚
い多層エピタキシャル構造がどのようにＬＥＤからの放
射光を増大させるかを以下に説明する。
【００１３】多層エピタキシャル構造３６は上部ＡｌＧ
ａＩｎＮ領域４０、活性領域３８及び下部ＡｌＧａＩｎ
Ｎ領域４２を含む。上部及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は
複数のＡｌＧａＩｎＮのエピタキシャル層を含む。上部
ＡｌＧａＩｎＮ領域はｐ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャ
ル層から成り、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｎ型ＡｌＧａ
ＩｎＮエピタキシャル層及びドーピングされていないエ
ピタキシャル層から成る。下部ＡｌＧａＩｎＮ領域中の
ｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層を含む部分を符号
４４に示した。下部ＡｌＧａＩｎＮ領域中のドーピング
されていないエピタキシャル層を含む部分は符号４６に
示した。ドーピングされていないエピタキシャル層はＡ
ｌＧａＩｎＮ層としても、又はＡｌＧａＩｎＮを基本成
分とした他の材料から成る層としても良い。活性領域は
量子井戸を形成する少なくとも１つのＡｌＧａＩｎＮ発
光層を含む。可視光発光の場合、この発光層を窒化イン
ジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）で作ることが出来る。多
層エピタキシャル構造は約４μｍ以上の厚みを持つ。一
実施例においては、多層エピタキシャル構造の厚さは約
７μｍとした。他の実施例においては、多層エピタキシ
ャル構造の厚みを約１５μｍとした。しかしながら、多
層エピタキシャル構造の厚さは１５μｍより大きくても
かまわない。
【００１４】数値的光線追跡モデリング計算から得られ
た抽出効率対エピタキシャル構造厚のグラフを、図３に
示す。歪みに起因したクラック等の問題がある為、厚い
ＡｌＧａＩｎＮ構造上に高品質の活性領域を成長させる
ことが出来るかは明確にはわからない。緩衝層や下部Ａ
ｌＧａＩｎＮ層の組成及びドーピング条件（多量か微量
か、ｎ型かｐ型か、或はドーピングしないか）の特定の
選択をすれば、高品質活性領域が得られ、そして、実際
に量子収量の向上が観測される。更にＡｌＧａＩｎＮ層
又はＡｌＧａＩｎＮベースの超格子構造を使ってエピタ
キシャル構造内の張力と圧力のバランスを取り、活性領
域の内部量子収量の低下原因となる欠陥の形成を抑制す
ることにより、歪みも制御することが出来る。
【００１５】多層エピタキシャル構造３６の厚さを増す
為には、図２に示すように下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の厚
さのみを増大させれば良い。しかしながら、他の形態も
可能である。例えば上部ＡｌＧａＩｎＮ領域４０の厚さ
を増大させることによって多層エピタキシャル構造の厚
さを増しても良い。かわりに上部４０及び下部ＡｌＧａ
ＩｎＮ領域４２両方の厚さを大きくすることにより、多
層エピタキシャル構造の厚さを増すことも出来る。
【００１６】多層エピタキシャル構造３６と基板３４と
の間には、緩衝層４８がある。緩衝層は、下部ＡｌＧａ
ＩｎＮ領域４２と基板との間に確実に適切な接着を提供
する働きを持つ。緩衝層は、ＡｌＧａＩｎＮをベースに
した材料から作られる。基板はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）
であることが望ましい。エピタキシャル構造厚を大きく
することによる光抽出率の改善は、基板、又は基板上の
成長層（そのような層を設けた場合）が多層ＡｌＧａＩ
ｎＮエピタキシャル構造（効果的にはｎが約２．４）よ
りも充分に小さい屈折率を持っていれば得られる為、他
の基板であっても利用可能である。この説明において
は、異なる基板であってもその基板又はその上の成長層
の屈折率が２．１よりも小さければ、大幅な光抽出率の
改善が期待出来るものとする。更に基板は、成長中に特
定の特性を提供する為の酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化珪
素（ＳｉＯ2）又はその他の誘電体層を設けたものであ
っても良い。推奨される実施例においては、基板の上面
にはテクスチャがつけられており、これにより活性領域
３８から放出され、入射光がランダム化される。基板に
テクスチャをつけると入射光が多層エピタキシャル構造
の側面からＬＥＤを出る確率が高くなる。テクスチャを
付けたサファイア基板上には、非テクスチャ基板と比較
すると大幅に低いクラック発生率で厚いＡｌＧａＩｎＮ
エピタキシャル層（＞７μ）を成長させることが出来
る。
【００１７】ＬＥＤ３２はそれに電力を供給するオーム
ｐ接触５０及びオームｎ接触５２を含む。オームｐ接触
は多層エピタキシャル構造３６の上部ＡｌＧａＩｎＮ領
域４０と電気的に結合し、オームｎ接触は下部ＡｌＧａ
ＩｎＮ領域４６のｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層
４４と電気的に結合している。下部ＡｌＧａＩｎＮ領域
４６はドーピングされていなくても、或はｐ型であって
も良く、その構造において随意に選択出来る。上部Ａｌ
ＧａＩｎＮ領域上に成膜され、オームｐ接触に電気的に
接続されているのは半透明金属層５４である。半透明金
属層は活性領域３８の全面積にわたって電流を分配する
為の電流スプレッダーとして機能する。半透明金属層は
酸化ニッケル（ＮｉＯ）及び金（Ａｕ）から作ることが
出来る。一実施例における半透明金属層の形成にはま
ず、Ｎｉ層を成膜するが、これはＮｉを成膜以前に酸化
させる、或は成膜の間に酸化させることによりＮｉＯ層
が形成される。次にＮｉＯ層の上にＡｕ層を成膜し、そ
してこれら２層をアニールする。この処理により半透明
金属層の形成を従来の半透明金属層よりも薄いＡｕ層を
使って実施することが出来る。この推奨される実施例に
おいては、半透明金属層５４を形成する為に使ったＡｕ
層は約５０オングストロームの厚さを持っている。対照
的に、従来の半透明金属層を形成する為に使用するＡｕ
層の厚さは約１１３オングストロームである。ＮｉＯの
後にＡｕを成膜するかわりに、反応性スパッタリング又
は反応性蒸着技術を使って２つの材料を同時に成膜して
も良い。
【００１８】ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ３２の発光作
用は図１のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ１０のような従
来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤと同様である。ＬＥ
Ｄ３２を活動化させる為に電圧がオーム接触５０及び５
２へと印加され、ＬＥＤに順方向バイアスがかかる。Ｌ
ＥＤに順方向バイアスがかかった状態になると、上部Ａ
ｌＧａＩｎＮ領域４０から活性領域３８へと正孔が注入
される。更にこの順方向バイアス条件下では下部ＡｌＧ
ａＩｎＮ領域４２のｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル
層４４からも電子が活性領域へと注入される。活性領域
の量子井戸内においては、注入された正孔及び電子が再
結合し、これにより光が放出される。発生した光は、活
性領域内の矢印に示されるようにあらゆる方向へと放射
される。放射光の一部は半透明金属層５４を通って出力
光としてＬＥＤを出て行き、また、放射光の一部は基板
３４を通ってＬＥＤの外に出て行く。放射された光の他
の部分は、基板３４の上面及びＬＥＤを覆う封止用エポ
キシ層（図示せず）の底面で反射した後に多層エピタキ
シャル構造３６の側面からＬＥＤ外に出て行く（このよ
うな放射光線の経路例を５６、５８及び６０に示す）。
ＬＥＤの全体的光出力としては、上部から出て行く、或
は基板から出て行く部分と同時にＬＥＤの側面を通って
出て行く放射光も含まれる。
【００１９】従来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤと同
様、多層エピタキシャル構造３６の屈折率（ｎ＝２．
４）と基板３４（サファイアの場合ｎ＝１．７７）又は
封止用エポキシ層の屈折率（１．５）との間の落差によ
り、活性領域３８内で生じた光のうち、最初に界面へと
達した時点でエポキシ又は基板へと逃げる部分はたった
の２５％程度である。残りの光はチップ上の封止用エポ
キシ層と基板により形成される導波路内に閉じ込められ
る。閉じ込められた光は様々な損失メカニズムにさらさ
れ、これにより多層エピタキシャル構造の側面を通って
ＬＥＤ外に出て行くことが出来る光の量が低減する。こ
れらの損失メカニズムには半透明金属層５４における吸
収や、緩衝層４８、活性層３８及び多量のＭｇが添加さ
れた接触層等のＬＥＤ３２のエピタキシャル部を構成す
る多数の層内における吸収が含まれる。損失メカニズム
を通過する度に吸収される確率が増すのである。
【００２０】多層エピタキシャル構造３６の厚さを大き
くすることにより、形成された導波路内に閉じ込められ
た光は、より小数の損失メカニズムを通過することで多
層エピタキシャル構造の側面からＬＥＤ３２の外に出て
行くことが出来る。具体的には、多層エピタキシャル構
造の厚さを大きくすることにより、より多くの量の放射
光が、図２の光線５６、５８、６０に示されるように基
板３４の上面又は封止用エポキシ層の底面のいずれかで
の最高１回の反射を経て多層エピタキシャル構造の側面
から出て行くことが出来る。本願においては、このよう
な光線を「ファースト・パス」抽出光と呼ぶ。
【００２１】ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤからの光抽出
の光線追跡モデリングにおいて、多層エピタキシャル構
造の厚さを増すことで第１経路の光抽出率が改善される
ことが確認出来る。図４は、それぞれ３．２μｍ及び１
８．２μｍの厚さの多層エピタキシャル構造を持つ３０
０ｘ４００μｍ2のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの相対
的光抽出効率を示すものである。第１のケースにおいて
は、１１３オングストロームの厚さを持つＡｕ層を使っ
て代表的な半透明金属層を形成した。このような半透明
金属層２６は図１に示したものである。第二のケースに
おいては、図２の半透明金属層５４のように、５０オン
グストロームの厚さに減じたＡｕ層を使って半透明金属
層を形成した。データは、厚いＡｕと薄いＡｌＧａＩｎ
Ｎを使った場合（例えば１１３オングストローム厚のＡ
ｕ層で形成した代表的な半透明金属層と３．２μｍ厚の
従来型多層エピタキシャル構造を含むＡｌＧａＩｎＮベ
ースＬＥＤ）で正規化されている。留意すべきは、いず
れのケースにおいても多層エピタキシャル構造厚を大き
くした方が、抽出効率が通常の多層エピタキシャル構造
のそれと比較して大幅に改善されているという点であ
る。多層エピタキシャル構造厚の増大による抽出効率の
改善は、これらのケースにおいては約＋２５〜３０％で
ある。
【００２２】ＡｌＧａＩｎＮ／サファイア界面に粗さを
持たせた、即ちテクスチャを付けた素子の場合であって
も、多層エピタキシャル構造の厚さを大きくすると光抽
出効率が改善される。図５は、図４にて利用したものと
同様であるがＡｌＧａＩｎＮ／サファイア界面にテクス
チャをつけた素子の相対的光抽出効率をモデリングした
ものである。テクスチャをつけたＡｌＧａＩｎＮ／サフ
ァイア界面は、そこに入射する光を０次反射に対して±
１１°の標準偏差でランダム化する。多層エピタキシャ
ル構造の厚みを増大させたことによる光抽出率の改善は
これらのケースにおいては２２〜２７％である。留意す
べきは、図４と比較してテクスチャを付けたＡｌＧａＩ
ｎＮ／サファイア界面により提供される抽出効率が図５
では全体的に増えているという点である。
【００２３】厚みを増した多層エピタキシャル構造３６
を使用することによるＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ３２
のパフォーマンスの更なる改善点としては、活性領域３
８中の歪み及び欠陥密度の低減、内部量子収量の改善、
そして出来ればウエハ特性の均一性の改善が含まれる。
より厚い下部ＡｌＧａＩｎＮ領域（例えば７μｍ）を持
つ素子には抽出効率問題だけに帰することが出来ない効
率の向上が見られることを研究データは示している。こ
れは下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の厚さを増大させる（例え
ば３μｍよりも大きくする）ことによりＬＥＤ構造にお
いて内部量子収量が改善されたことを示唆している。図
６は、７μｍ厚の下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を持つＡｌＧ
ａＩｎＮベースＬＥＤの光出力測定データを示すもので
ある。実線は薄い（４μｍ未満）エピタキシャル構造を
採用した従来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤのパフォ
ーマンスを示す。測定された相対的外部量子収量の増加
は１５〜４０％である。このような増加は、光抽出効率
の改善だけでは説明しにくい。
【００２４】本発明に基づくＡｌＧａＩｎＮベースＬＥ
Ｄの製造方法を、図７を参照しつつ説明する。ステップ
６２においては基板が用意される。基板はサファイアで
作られたものが望ましい。基板、又はその上の成長層
（このような層を設けた場合）が多層エピタキシャル構
造の屈折率（効果的にはｎが約２．４）よりも充分に小
さい屈折率を持ってさえいれば、エピタキシャル厚を増
大させることによる光抽出率の改善を得ることが出来る
為、他の基板を利用することも可能である。この説明に
おいては、基板又は成長層の屈折率が２．１よりも小さ
ければ異なる基板であっても光抽出率の著しい改善が期
待できるものとする。更に、成長中に特定の特性を提供
する為に基板に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2）又は他の誘電体の層を設けても良い。次にステッ
プ６５においては、基板の上面にテクスチャがつけられ
る。テクスチャづけは数ある技術のうちのいずれによっ
て実施しても良い。例えば、表面を比較的に粗い研磨粒
子で研磨することにより、機械的にテクスチャをつける
ことが出来る。このような工程においては、サファイア
ウエハを研磨車上に固定した金属製パック上に取り付け
れば良い。次に研磨粒子を用いてサファイアに粗く研磨
し、所望のテキスチャをつける。１μ未満のサイズの研
磨粒子を利用することが出来る。この結果得られる基板
は、その上面に突き当たる光をランダム化する。また、
かわりに基板をウエット又はドライエッチング技術によ
りパターニングしても良い。更に他の手法として、前の
成長工程で既に設けられているＡｌＧａＩｎＮ層にテク
スチャをつけることも出来る。この層のテクスチャづけ
は、従来より周知の幾つかの手段により実施することが
出来、後の工程で成長させるＬＥＤ構造用の成長面とす
ることが出来る。ステップ６６においては、基板上に緩
衝層が成膜される。緩衝層はＡｌＧａＩｎＮをベースに
した材料で作られる。
【００２５】次に、ステップ６８において緩衝層上に多
層エピタキシャル構造が形成される。一実施例において
は、多層エピタキシャル構造のエピタキシャル層を有機
金属気相エピタキシャル成長（ＯＭＶＰＥ）技術を用い
て成長させることが出来る。他の実施例においては、エ
ピタキシャル層を水素化物気相エピタキシャル成長（Ｈ
ＶＰＥ）技術を用いて成長させることが出来る。ＨＶＰ
Ｅ成長技術は、ＯＭＶＰＥと比べてスループットが高い
（成長速度がより速い）という利点を持っており、成長
構造中に厚いエピタキシャル層を採用する場合に便利で
ある。多層エピタキシャル構造は約４μｍ以上の厚みを
持っている。例えば、多層エピタキシャル構造は約７μ
ｍの厚さを持っていても良い。しかしながら、多層エピ
タキシャル構造の厚さは約１５μｍ以上であってもかま
わない。
【００２６】多層エピタキシャル構造の形成工程には、
ＡｌＧａＩｎＮをベースにした材料のエピタキシャル層
を緩衝層上に成長させて行き、多層エピタキシャル構造
の下部ＡｌＧａＩｎＮ領域、活性領域そして上部ＡｌＧ
ａＩｎＮ領域を順番に形成することが含まれる。一実施
例においては、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はＧａＮエピタ
キシャル層のみで形成される。他の実施例においては、
下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はＡｌＧａＩｎＮエピタキシャ
ル層及びＡｌＧａＩｎＮをベースにした他のエピタキシ
ャル層から作られる。多層エピタキシャル構造の下部Ａ
ｌＧａＩｎＮ領域には、３μｍを超える厚みを持たせる
ことが望ましい。例えば、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は約
７μｍの厚さを持っていても良い。次にＬＥＤのオーム
接触の形成等、更なる工程を実施し、ＡｌＧａＩｎＮベ
ースＬＥＤを完成する。
【００２７】上述したフローにおいては、ＡｌＧａＩｎ
Ｎ多層エピタキシャル構造の基板との界面に随意選択に
よるテクスチャリングを行うことが含まれているが、テ
クスチャリングはＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構
造の上面にも実施可能であり、光抽出率を改善する為に
はその方が好ましい。これは上面のオーム接触を形成す
る前又は後に実施することが出来る。
【００２８】ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ３２は、半透
明金属層５４を介して表面光を放射する素子として説明
したが、ＬＥＤは半透明金属層のかわりに高い反射率を
持つメタライズ層を有する反転素子とすることも出来
る。この反転ＬＥＤにおいては、表面光は透明基板を通
して放射される。
【００２９】厚いＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構
造を採用したＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの他の実施例
は、図８に示した垂直注入構造である。ＬＥＤ構造７０
においては、ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層７２、７４
が活性領域７６の両側に、ｎ型又はｐ型層のいずれかが
導電性基板７８に電気的に接続するように設けられてい
る。導電性基板は珪素（Ｓｉ）のような不透明材料から
構成されるものであっても良い。この基板は、元の成長
基板（図示せず）を含むＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシ
ャル構造８０を金属製のインターフェース層８２を挟ん
で導電性基板へとボンディングすることにより設けるこ
とが出来る。金属インターフェース層は基板とＡｌＧａ
ＩｎＮエピタキシャル層との間にオーム接触８４、８６
を介した電気接続を提供すると同時に基板とＡｌＧａＩ
ｎＮ多層エピタキシャル構造とを接着する働きも持つ。
ボンディング後、レーザーリフトオフや、ＡｌＧａＩｎ
Ｎ多層エピタキシャル構造と元の成長基板との間の犠牲
層を含む選択的エッチング等、従来より周知の数ある技
術のいずれかを使って元の成長基板が除去される。
【００３０】元の成長基板を除去した後、ＡｌＧａＩｎ
Ｎ多層エピタキシャル構造８０の露出面８８にテクスチ
ャをつけても良く、その後オーム接触８４を形成して垂
直注入素子７０が完成する。上述したように、この説明
においてはＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層の厚さを大
きくすることにより、ＡｌＧａＩｎＮ／エポキシ界面と
ＡｌＧａＩｎＮ／金属層界面との間に閉じ込められた光
に関わる損失を低減することでこの素子の抽出効率を増
すことが出来る。ＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構
造は約４μｍ以上の厚さを持つ。多層エピタキシャル構
造の厚さを、例えば約７μｍとしても良い。しかしなが
ら、多層エピタキシャル構造の厚さは約１５μｍ以上あ
ってもかまわない。
【００３１】
【発明の効果】本発明の素子は厚い多層エピタキシャル
構造により、厚い多層エピタキシャル構造の側面を介し
て素子を出る放射光の量が増大し、素子の光抽出効率を
高くできる。また、エピタキシャル層の厚みを増すこと
による光抽出効率の改善が得られる為、他の基板を使用
することも可能である。さらに、本発明の素子では、多
層エピタキシャル構造の厚さを大きくすることにより、
基板上面と封止用エポキシ層の底面とで形成される導波
路中に閉じ込められた光が、いずれかにおいて１回反射
するだけで側面から出て行く光の量を増やすことができ
る。よって、光の反射回数を減らすことにより、ＡｌＧ
ａＩｎＮエピタキシャル層内部又はその周囲に存在する
様々な寄生光学損失メカニズムにより吸収される光の量
が低減され、ＬＥＤの全体的な光出力が増大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの
概略図である。
【図２】本発明に基づく、厚い多層エピタキシャル構造
を持つＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの概略図である。
【図３】数値的光線追跡モデリング計算から得られた、
抽出効率対厚さのグラフである。
【図４】多層エピタキシャル構造が、それぞれ３．２μ
ｍ及び１８．２μｍの厚さを持つ３００ｘ４００μｍ2
のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの、上部のＡｕ半透明金
属層の厚さが異なるものについての相対的抽出効率であ
る。
【図５】ＡｌＧａＩｎＮ／基板界面にテクスチャをつけ
た３００ｘ４００μｍ2のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ
の相対的光抽出効率をモデリングしたグラフである。
【図６】多層エピタキシャル構造の下部ＡｌＧａＩｎＮ
領域を７μｍ厚としたＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの光
出力の測定データを示すグラフである。
【図７】図２の本発明に基づくＡｌＧａＩｎＮベースＬ
ＥＤの製造方法のフローチャートである。
【図８】本発明に基づく厚い多層エピタキシャル構造を
持つ垂直注入型ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの概略図で
ある。
【符号の説明】
１０ ＡｌＩｎＧａＮベースＬＥＤ １２ サファイア基板 １４ 多層エピタキシャル構造 １６ 上部ＧａＮ領域 １８ 活性領域 ２０ 下部ＧａＮ領域 ２２ オームｐ接触 ２４ オームｎ接触 ２６ 半透明金属層 ２８ 緩衝層 ３０ 光線経路例 ３２ ＡｌＩｎＧａＮベースＬＥＤ ３４ 基板 ３６ 多層エピタキシャル構造 ３８ 活性領域 ４０ 上部ＧａＮ領域 ４２ 下部ＧａＮ領域 ４４ ｎ型ＧａＮ層を含む部分 ４６ ドーピングされていない層を含む部分 ４８ 緩衝層 ５０ オームｐ接触 ５２ オームｎ接触 ５４ 半透明金属層 ５６、５８、６０ 光線経路例 ６２ 基板を用意するステップ ６４ 基板上面にテクスチャをつけるステップ ６６ 基板上に緩衝層を成膜するステップ ６８ 緩衝層上に多層エピタキシャル構造を形成するス
テップ ７０ ｐ型Ｇａｎ領域上にＮｉＯ層を成膜するステップ ７２ ＮｉＯ層上にＡｕ層を成膜するステップ ７４ Ａｕ及びＮｉＯ層をアニールするステップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐ ａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ポール・スコット・マーティン アメリカ合衆国カリフォルニア州94588, プリーザントン， フェアオークス・ド ライブ 7665 (72)発明者 トゥン・シーン・タン アメリカ合衆国カリフォルニア州95014, カッパティーノ， セーラム・アベニュ ー 22585

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、該基板に結合した活性領域を有
    する多層エピタキシャル構造と、を含むＡｌＧａＩｎＮ
    発光ダイオード素子であって、 前記多層エピタキシャル構造が、前記活性領域の上に位
    置するエピタキシャル層から成る第１の領域と、前記活
    性領域の下に位置するエピタキシャル層から成る第２の
    領域と、を含み、前記第１及び第２の領域のエピタキシ
    ャル層が、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒
    素からなる群より選択した少なくとも１元素で作られた
    複数のエピタキシャル層を含み、前記多層エピタキシャ
    ル構造が少なくとも４μｍの厚みを持ち、前記多層エピ
    タキシャル構造の前記厚みによって、前記活性領域から
    放出された光のうち、前記多層エピタキシャル構造の側
    面を通じて抽出される光の量が増大することを特徴とす
    るＡｌＧａＩｎＮ発光ダイオード素子。
  2. 【請求項２】 前記多層エピタキシャル構造が、少なく
    とも７μｍの厚みを持つように構成されたことを特徴と
    する請求項１に記載の素子。
  3. 【請求項３】 前記多層エピタキシャル構造が、少なく
    とも１５μｍの厚みを持つように構成されたことを特徴
    とする請求項１に記載の素子。
  4. 【請求項４】 前記多層エピタキシャル構造の前記第２
    の領域が、３μｍよりも大きい厚みを持つことを特徴と
    する請求項１〜３のいずれかに記載の素子。
  5. 【請求項５】 前記基板の、前記多層エピタキシャル構
    造と結合させる面がテクスチャをつけられた面であり、
    前記基板の前記テクスチャ面が、前記テクスチャ面上に
    突き当たる光のランダム化を促進することを特徴とする
    請求項１〜４のいずれかに記載の素子。
  6. 【請求項６】 基板を用意するステップと、約４μｍよ
    りも大きい厚みを持つ多層エピタキシャル構造を前記基
    板上に形成するステップと、を含むＡｌＧａＩｎＮ発光
    ダイオード素子の製造方法であって、 前記多層エピタキシャル構造を形成するステップが、エ
    ピタキシャル層の上部領域、活性領域及びエピタキシャ
    ル層の下部領域を、窒化アルミニウムガリウムインジウ
    ムをベースにした材料の層を成膜することにより形成す
    るステップを含み、前記活性領域が前記上部及び下部領
    域の間に形成され、前記多層エピタキシャル構造の厚さ
    が、前記活性領域から放出された光のうち、前記多層エ
    ピタキシャル構造の側面を介して抽出される光の量を増
    大させる働きを持つことを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 前記多層エピタキシャル構造を形成する
    ステップが、少なくとも７μｍの厚さを持つ多層エピタ
    キシャル構造を形成するステップであることを特徴とす
    る請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記多層エピタキシャル構造を形成する
    ステップが、少なくとも１５μｍの厚さを持つ多層エピ
    タキシャル構造を形成するステップであることを特徴と
    する請求項６に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記エピタキシャル層の下部領域を形成
    するステップが、前記下部領域の厚みが３μｍよりも大
    きくなるように前記エピタキシャル層の前記下部領域を
    形成することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記エピタキシャル層の前記下部領域
    を形成するステップが、前記活性領域及び前記エピタキ
    シャル層の前記上部領域を後の成長工程で有機金属気相
    エピタキシャル成長により形成する前に、水素化物気相
    エピタキシャル成長技術を用いて窒化ガリウムエピタキ
    シャル層を成長させるステップを含むことを特徴とする
    請求項６〜９のいずれかに記載の方法。
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