JP2004104100A - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透光基板を利用して発光ダイオード上部の光放出層を支え、透明な材質である為光線吸収の加減が可能で、さらには発光ダイオードの光あり、透光基板により支えられている発光ダイオード上層部分の発光層は、透明材質になる事によって光線の吸収を減少させることができ、ゆえに発光層から放出される光源は外部へ反射され、さらには発光ダイオードの発光強度を約２倍に引き上げ、光電素子の効能の向上までも可能になる。　
【解決手段】少なくとも１つの金属１０２が充填されたスルーホール１０１を保有する透光基板１００、透光基板１００の表面上に形成され、かつ金属１０２と接続している第１型オーミックコンタクトパターン７０、第1オーミックコンタクトパターン７０を有する透光基板１００上に形成された第１型被覆層３０、前記第１型被覆層３０上に形成された活性層４０、活性層４０の上に形成された第２型被覆層５０、第２型被覆層５０上に形成された第２型導電層６０及び第２型導電層６０上に形成された第２型オーミックコンタクト層１１０を含む透光基板を備えたことを特徴とする
【選択図】図４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　

Description

本発明は発光ダイオード（Light Emitting Diode、通称LED）及びその製造方法に関し、特に透光基板を備える発光ダイオード及びその製造方法に関するものである。

発光ダイオードは半導体材料から製作された素子であり、電気を光に変える事が可能なため、体積を縮め、長い寿命、駆動電圧の低さ、反応の速さ、耐震性などの長所を備えており、各種応用設備の小型，、薄型、軽量化という需要に対応可能なので今や日常生活中において十分に普及されている製品となっている。

例えば図１は、III−V族半導体から製作された発光ダイオードの機構を示すものである。図１に示すように、発光ダイオード１はひ化ガリウム（GaAs）基板２を含んでいる。Ｎ型A1GaInP層３は前記のGaAs基板２の上に形成されており、それをＮ型被覆層とする。A1GaInP活性層４は前記のＮ型A1GaInP層３の上に形成されている。Ｐ型A1GaInP層５は前記の活性層４の上に形成されており、それをＰ型被覆層とする。Ｐ型ＧaＰ層６は前述のＰ型A1GaInP層５の上に形成され、電流拡散層（currebt spreading layer）となる。

半導体発光ダイオード１の動作原理は電流が半導体のp-nジャンクションの活性層４に順方向に流れることにより、光線が放出するというものである。発光の効率を高めるために、結晶性の向上、内部量子効率の増加以外にも、光を取り出す技術（light extraction technique）と発光効率の改善も発光ダイオード１の実用性を増加させることができる。

一般の半導体発光ダイオードの反射率は外部のパッケージング材料の反射率よりも高く、故に半導体発光ダイオードの光線の大部分は半導体と外部のパッケージング材料（例えばエポキシ樹脂など）の介面に全反射し発光ダイオードの内部に戻り、全反射した光線は活性層と電極、基板などに吸収されるので、発光ダイオードのチップの外部における光取り出し効率（light extraction ratio）は内部の量子効率より低い。現段階での技術からみると、発光ダイオードの外部の光取り出し効率は３０％ほどしかない。

図１に挙げられる例から見ると、可視光を吸収するひ化ガリウム（GaAs）を発光ダイオードの基板に使用したとすると、発光ダイオードのチップ内部の吸収損失を非常に大きくさせることとなり、相対的に、光を取り出す確率にも影響を及ぼす。

かくて、本発明の目的は、透光基板を備える発光ダイオードの機構とその製造方法を提供し、透光基板を備える発光ダイオードの製造を可能にし、透光基板を利用して発光ダイオード上部の光放出層を支えることができ、並びに透明な材質であるために、光線に対する吸収の減少も可能で、ゆえに発光層の放出する光源外部反射して外部へ進み、さらには発光ダイオードの発光度を約２倍にまで高め、光電素子の機能をレベルアップをすることにある。

上述の目的を達成するために本発明は透光基板を備える発光ダイオードを提供する。その構造は、少なくとも１つの金属が充填されたスルーホールを保有する透光基板、透光基板の表面上に形成され、かつ金属と接続している第１型オーミックコンタクトパターン、第1オーミックコンタクトパターンを有する透光基板上に形成された第１型被覆層、第１型被覆層上に形成された活性層、前記活性層の上に形成された第２型被覆層、第２型被覆層上に形成された第２型導電層、及び第２型導電層上に形成された第２型オーミックコンタクト層を含む。　　　　　　

　本発明は透光基板を備えた発光ダイオードの製造方法を提供するものである。

　発光ダイオードは第１型被覆層を基板の上に形成するステップと、
　活性層を前記第１型被覆層の上に形成するステップと、
　第２型被覆層を前記活性層の上に形成するステップと、
　第２型導電層を前記第２型被覆層の上に形成するステップと、
　第２型オーミックコンタクト層を前記第２型導電層の上に形成するステップと、
　前記基板を除去するステップと、
　第１型オーミックコンタクト金属パターンを前記第１型被覆層と前記基板が接触している側の一部分に形成するステップと、
　透光基板を前記金属パターン上に形成し、前記透光基板にスルーホールを形成することで第１型オーミックコンタクト金属パターンを露出させるステップと、
金属を前記スルーホールの中に形成し、前記第１型オーミックコンタクト金属パターンと連結させるステップからなる。

　透光基板を利用して発光ダイオード上部の光放出層を支え、透明な材質である為光線吸収の加減が可能で、さらには発光ダイオードの光あり、透光基板により支えられている発光ダイオード上層部分の発光層は、透明材質になる事によって光線の吸収を減少させることができ、ゆえに発光層から放出される光源は外部へ反射され、さらには発光ダイオードの発光強度を約２倍に引き上げ、光電素子の効能の向上までも可能になる。

　本発明の目的、特徴及び長所が一層理解されるよう以下に実施例を例示し図面を参照しながら、詳細に説明する。

　図１から図４は、本発明の実施例の透光基板を備える発光ダイオードの製造過程を示している。

　図１によると、第１工程ではまず第１基板２０、例えばひ化ガリウム（GaAs）基板を提供する。このひ化ガリウム基板はゲルマニウム（Ge）となりうる。本実施例の中で、半導体エピタキシャル層の成長方法は有機金属化学気相成長法（metal-organic chemical vapor deposition、通称 MOCVD）を利用でき、例えばホスフィン、有機金属気体（トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなど）を適当な温度に加熱した基板に供給してから、この基板に熱解離過程を行う。このほか、分子線エピタキシー（molecular beam epitaxy、通称 MBE）、液晶エピタキシー（liquid phase epitaxy、通称 LPE）、気相成長（vapor phase epitaxy、通称 VPE）などのプロセスも利用することが可能である。

　基板２０の表面はＮ型エピタキシャル層３０が形成されており、その材質はＳiもしくはＴeがドープされたＮ型Ａ１xＧa_1−xＩnＰ（０≦Ｘ≦１）エピタキシャル層からなっており、その厚さは１〜数μｍ間に属する。

　Ｎ型エピタキシャル層３０の表面は、活性層４０が形成されており、それはダブルへテロ（ＤＨ）或いは量子井戸構造（ＱＷ）を利用したものである。材質は、例えばＡ１_xＧa_１−ＸIｎＰ（０≦Ｘ≦１）からなりその厚さは１〜２μｍである。次にＰ型エピタキシャル層５０を形成するが、その材質は亜鉛（Ｚｎ）またはマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＰ型Ａ１_ＸＧa_１−ＸＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）からなり、その厚さは１〜数μｍ間である。

　続いて、Ｐ型エピタキシャル層６０を形成する。Ｐ方エピタキシャル層６０の材質は亜鉛（Ｚｎ）もしくはＭｇがドープされたＰ型Ｇa_ＸＩｎ_１−ＸＰ（０≦Ｘ≦１）からなるが、ガリウム・りん（ＧａＰ）などが比較的好ましく、その厚さは５〜１０μｍ間である。

　それに続き、Ｐ型エピタキシャル層６０の表面上にＰ型オーミックコンタクト層１１０が形成されており、そのオーミックコンタクト層の厚さは１００ｎｍ〜１００００ｎｍである。

　　次に図２によると、化学エッチング法などの方式を利用して基板２０を除去してＮ型エピタキシャル層３０の表面を露出させる。その際利用するエッチング剤は例えばＮＨ_４ОＨ＋Ｈ_２О_２＋Ｈ_２Оである。

　図３によれば、上述の露出したＮ型エピタキシャル層３０の表面にはＮ型オーミックコンタクトパターン７０が形成され、このオーミックコンタクトパターン７０の幾何図形は、好ましくは、網状または点状の形式でＮ型エピタキシャル層３０の表面に形成される（未表示）。　全面的にＮ型エピタキシャル層３０の上にオーミックコンタクト層を形成しないことによって、その光源の吸収を引き下げることとなる。

　次に透光基板１００は上述のオーミックコンタクトパターン７０の上に形成されているが、この透光基板１００には少なくとも１つのスルーホール１０１を有している。透光基板１００はフォトレジスト成分を含んだ透明材質が利用でき、特に、エポキシ樹脂を含んだフォトレジストが好ましい。透光基板１００の製造方法は上述の金属パターン７０及びＮ型エピタキシャル層３０の表面に全面的にフォトレジスト剤（例えば透明のエポキシ樹脂など）を塗布し、次に露光を行い、その中のスルーホール１０１の位置を明確に割り出した後、現像を行い、スルーホール１０１を備えた透光基板１００を形成する。上述の透光基板１００の厚さは１０μｍ〜１０００μｍの間に属し、１００μｍ〜３００μｍが好ましい。

次に、図４によると、電気めっき等の方式を利用すると、スルーホール１０１の中には金属１０２が充填される。

　図４からは本実施例の透光基板を備える発光ダイオードの構造が見て取れ、材質がエポキシ樹脂であり、少なくとも１つのスルーホール１０１を有し、そのスルーホール１０１の中には金属１０２が充填されている基板としての透光基板１００も含んでいる。Ｎ型オーミックコンタクトパターン７０は前記透光基板１００と、Ｎ型エピタキシャル層３０の間に形成されると共に、金属１０２と接続している。Ｎ型エピタキシャル層３０の材質は珪素（Ｓi）やテルル（Ｔe）などのＮ型Ａ１_ＸＧa_１−ＸＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）エピタキシャル層である。活性層４０は前記Ｎ型エピタキシャル層３０の表面上に形成され、その材質はＡ１_ＸＧa_１−ＸＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）等からなる。Ｐ型エピタキシャル層５０は前記活性層４０の表面上に形成され、その材質は亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＰ型Ａ１_ＸＧa_１−ＸＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）エピタキシャル層である。Ｐ型エピタキシャル層６０は上述のＰ型エピタキシャル層５０の表面上に形成され、その材質は亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）などがドープされたＰ型Ｇa_ＸＩn_１−ＸＰ（０≦Ｘ≦１）からなり、例えばガリウム・りん（ＧａＰ）であるのが好ましい。Ｐ型オーミックコンタクト１１０はＰ型エピタキシャル層６０の表面に形成される。

　以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る多少の変更や修飾を附加することは可能である。例えば前記Ｎ型エピタキシャル層３０及びＮ型オーミックコンタクトパターン７０はＰ型とすることもでき、この時Ｐ型エピタキシャル層５０、Ｐ型エピタキシャル層６０及びオーミックコンタクト層１１０はＮ型となりうる。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とし、当業者であれば行い得る多少の変更や修飾を附加する範囲にも及びものである。

本発明実施例中の透光基板を備えた発光ダイオードの製造プロセスを示す図である。 本発明実施例中の透光基板を備えた発光ダイオードの製造プロセスを示す図である。 本発明実施例中の透光基板を備えた発光ダイオードの製造プロセスを示す図である。 本発明実施例中の透光基板を備えた発光ダイオードの製造プロセスを示す図である。 III―V族の半導体材料製作の発光ダイオードの構造を示す図である。

符号の説明

１　発光ダイオード
２　ＧaＡs基板
３　Ｎ型Ａ１ＧaIｎＰ層
４　活性層
５　Ｐ型Ａ１ＧaＩｎＰ層
６　Ｐ型ＧaＰ層
２０　基板
３０　Ｎ型エピタキシャル層
４０　活性層
５０　Ｐ型エピタキシャル層
６０　Ｐ型エピタキシャル層
７０　Ｎ型オーミックコンタクトパターン
１００　透光基板
１０１　スルーホール
１０２　金属
１１０　Ｐ型オーミックコンタクト層

Claims (28)

1. 少なくとも１つの金属が充填されたスルーホールを保有する透光基板、前記透光基板の表面上に形成され、かつ前記金属と接続している第１型オーミックコンタクトパターン、前記第1オーミックコンタクトパターンを有する前記透光基板上に形成された第１型被覆層、前記第１型被覆層上に形成された活性層、前記活性層の上に形成された第２型被覆層、前記第２型被覆層上に形成された第２型導電層、及び前記第２型導電層上に形成された第２型オーミックコンタクト層を含む透光基板を備えたことを特徴とする発光ダイオード。　　　　　　
2. 前記透光基板の材質はフォトレジストである請求項1に記載の発光ダイオード。
3. 前記透光基板の材質にはエポキシ樹脂を含んでいる請求項1に記載の発光ダイオード。
4. 前記透光基板の厚さが５０μｍ〜３００μｍ間に属している請求項1に記載の発光ダイオード。
5. 前記透光基板のスルーホールはフォトリソグラフィのプロセスにより形成する請求項2に記載の発光ダイオード。
6. 前記金属は電気めっきにより形成される請求項1に記載の発光ダイオード。
7. 前記金属の材質が前記第１型オーミックコンタクト金属と同様である請求項1に記載の発光ダイオード。
8. 前記第１型被覆層はＡ1_XＧa_1−XIｎＰ（０≦Ｘ≦１）エピタキシャル層からなる請求項1に記載の発光ダイオード。
9. 前記活性層はＡ1_XＧa_1−XＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）からなる請求項1に記載の発光ダイオード。
10. 前記第２型被覆層はＡ1_XＧa_1−XＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）エピタキシャル層からなる請求項1に記載の発光ダイオード。　
11. 前記第２型導電層の材質はＧａＰ（ガリウム・りん）からなる請求項1に記載の発光ダイオード。
12. 前記第１型オーミックコンタクトパターンが網状または点状である請求項1に記載の発光ダイオード。
13. 前記第１型をＮ型とした時、前記第２型はＰ型である請求項1に記載の発光ダイオード。
14. 前記第１型をＰ型とした時、前記第２型はＮ型である請求項1に記載の発光ダイオード。
15. 第１型被覆層を基板の上に形成するステップと、
    　活性層を前記第１型被覆層の上に形成するステップと、
    　第２型被覆層を前記活性層の上に形成するステップと、
    　第２型導電層を前記第２型被覆層の上に形成するステップと、
    　第２型オーミックコンタクト層を前記第２型導電層の上に形成するステップと、
    　前記基板を除去するステップと、
    　第１型オーミックコンタクト金属パターンを前記第１型被覆層と前記基板が接触している側の一部分に形成するステップと、
    　透光基板を前記金属パターン上に形成し、前記透光基板にスルーホールを形成することで第１型オーミックコンタクト金属パターンを露出させるステップと、
    金属を前記スルーホールの中に形成し、前記第１型オーミックコンタクト金属パターンと連結させるステップからなる透光基板を備える発光ダイオードの製造方法。
16. 前記透光基板はフォトレジストからなる請求項１５に記載の発光ダイオード。
17. 前記透光基板の材質にはエポキシ樹脂が含まれている請求項１５に記載の発光ダイオード。
18. 前記透光基板の厚さが５０μｍ〜３００μｍの間に属している請求項１５に記載の発光ダイオード。
19. 前記透光基板のスルーホールはフォトリソグラフィプロセスにより形成される請求項１６に記載の発光ダイオード。
20. 前記金属は電気により形成される請求項１６に記載の発光ダイオード。
21. 前記金属パターンの材質は前記第１型オーミックコンタクト金属と同様である請求項１５に記載の発光ダイオード。
22. 前記第１型被覆層はＡ1_XＧa_1−XＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）エピタキシャル層からなる請求項１５に記載の発光ダイオード。
23. 前記活性層はＡ1_XＧa_1−XＩnＰ（０≦Ｘ≦１）からなる請求項１５に記載の発光ダイオード。　　
24. 前記第２型被覆層はＡ1_XＧa_1−XＩｎＰ（０≦Ｘ≦１）エピタキシャル層からなる請求項１５に記載の発光ダイオード。
25. 前記第２型導電層ＧaＰ（ガリウム・りん）からなる請求項１５に記載の発光ダイオード。
26. 前記第１型オーミックコンタクトパターンが網状または点状である請求項１５に記載の発光ダイオード。
27. 前記第１型をＮ型とした時、前記第２型はＰ型である請求項１５に記載の発光ダイオード。
28. 前記第１型をＰ型とした時、前記第２型はＮ型である請求項１５に記載の発光ダイオード。
    

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