JP2005223329A - 発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】光の放出効率のよい発光ダイオードを提供する。
【解決手段】活性層１０の上部のＰ-ＧａＮ層２０には、Ｐ-ＧａＮ層２０の屈折率より小さい屈折率を有する物質よりなるマイクロレンズ３０が複数個、形成されている。マイクロレンズ３０は、上面が凸状、あるいは上下に凸状であるように形成する。 活性層１０から放出される光が臨界角より大きい角度(θ１)を有する経路(Ａ)に進む時、Ｐ-ＧａＮ層２０の内部にマイクロレンズ３０が存在しない場合、全反射されて外部に放出できず、‘Ｂ'の経路に進む。Ｐ-ＧａＮ層２０の内部にマイクロレンズ３０が存在すれば、光はマイクロレンズ３０で屈折され、マイクロレンズ３０の曲率半径による臨界角より小さい角度(θ２)で外部に放出される‘Ｃ'の経路に進行する。活性層１０から放出される光の全反射を減らすことができ、発光ダイオードの光抽出効率をアップすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は発光ダイオードに係り、さらに詳しくは活性層の上面又は下面の半導体層の内部または表面に、光の全反射を減らせる構造物を形成して、発光ダイオードの光を効率よく抽出して輝度を増加させられる発光ダイオードに関する。
III/Ｖ族半導体物質を用いた発光ダイオードの製作技術は、ＡｌＧａＡｓ/ＧａＡｓ物質を用いた赤色発光ダイオードからＡｌＧａＩｎＰ/ＩｎＰを使用した赤色及び緑色発光ダイオードの開発へ応用範囲が拡大されてきている。最近ＧａＮ系物質を用いた青色発光ダイオードの開発によってフルカラーが可能になることによって、信号灯とフルカラーディスプレイなどその用途が広範囲になっている。
また、ＧａＮ系物質は紫外線発光ダイオードの開発に続いて、将来に一般照明用として使用されうる可能性を一層高めている。
このように多様な発光ダイオードが開発され多用されているが、未だに発光ダイオードの輝度を向上させる研究は続けられている。
発光ダイオードの輝度を向上させるため、発光ダイオードの成長時構造を改善し、チップデザイン(Chip design)及び組立を改善する方法が研究されてきた。
しかし、発光ダイオードの構造を変更して輝度を向上させる方法は、量子効率を考慮すれば限界がある。そこで最近は、内部から発生された光を外部によく抽出できる抽出効率を高める研究が、活発になされてつつある。
このような抽出効率を高めるため、物質と物質との界面で発生する光の吸収または反射による減少を減らすための、いろいろの試みがある。例えば、窒化物系発光ダイオードにおいてサファイアと窒化物の界面で発生する全反射を減らすため、サファイア基板にパターンを形成したり、凹凸を付与する方法が行われており、またはサファイア基板を分離して吸収や全反射を除去する方法も試みられている。
そして、窒化物と空気との屈折率の差によって全反射を減少させるために、窒化物表面を粗くして、抽出効率を増加させる方法もある。
その他、チップデザイン及び組立を改善して、内部から発生された光を効率的に抽出しようとする多くの方法が図られている。
本発明は前述したような問題点を解決するために考えられたもので、その目的は、活性層の上面又は下面の半導体層の内部または表面に、光の全反射を減らせる構造物を形成して、光を効率よく抽出して輝度を増加させられる発光ダイオードを提供することにある。
前述した本発明の目的を達成するための望ましい第１の態様では、基板の上部にＮ型半導体層、活性層とＰ型半導体層が順次に形成され、前記Ｐ型半導体層からＮ型半導体層の一部まで部分的にエッチングされることによって、前記Ｎ型半導体層の露出された領域の上部にＮ電極パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成されている発光ダイオードにおいて、
前記Ｎ型半導体層とＰ型半導体層のうちいずれか一つの半導体層の内部領域と、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層の双方の内部領域のうち、いずれか一つの領域には、相互に離隔され、前記Ｎ型半導体層またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個のマイクロレンズが配列されていることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
前述した本発明の目的を達成するための望ましい第２の態様では、Ｎ型半導体基板の上部に、活性層とＰ型半導体層が順次、形成され、前記Ｎ型半導体基板の下部にＮ電極パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成された発光ダイオードにおいて、
前記Ｎ型半導体基板とＰ型半導体層のうちいずれか一つの半導体層の内部領域、またはＮ型半導体板とＰ型半導体層の両者の内部領域には、
相互に離隔され、前記Ｎ型半導体基板またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個のマイクロレンズが配列されていることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
前述した本発明の目的を達成するための望ましい第３の態様では、Ｎ型半導体基板の上部に活性層とＰ型半導体層が順次、形成され、前記Ｎ型半導体基板の下部にＮ電極パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成された発光ダイオードにおいて、
前記Ｎ型半導体基板の下面とＰ型半導体層の上面のうちいずれか一つの領域、または前記Ｎ型半導体基板の下面とＰ型半導体層の上面の双方の領域には、
相互に離隔され、前記Ｎ型半導体基板またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個の凸部が配列されていることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
前述した本発明の目的を達成するための望ましい第４の態様様態では、基板の上部にＮ型半導体層、活性層とＰ型半導体層が順次に形成され、前記Ｐ型半導体層からＮ型半導体層の一部まで部分的にエッチングされることによって、前記Ｎ型半導体層の露出された領域の上部にＮ型電極パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成されている発光ダイオードにおいて、
前記Ｐ型半導体層の上面または前記基板とＮ型半導体層の界面のうち、いずれか一つの領域には、
相互に離隔され、前記Ｎ型半導体層またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個の凸部が配列されていることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
本発明は、活性層の上面又は下面の半導体層の内部または表面に、光の全反射が減らせる構造物を、形成して発光ダイオードの光を効率よく抽出して輝度を増加させられる。
以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施例を詳述する。
図１は本発明の第１の実施形態によって、発光ダイオードの輝度を改善するための方法を説明するための概念図である。活性層１０の上部に形成されたＰ-ＧａＮ層２０の内部には、前記Ｐ-ＧａＮ層２０の屈折率より小さい屈折率を有する物質よりなるマイクロレンズ３０が複数個、形成されている。
前記マイクロレンズ３０は、上面が凸状、あるいは上下に凸状であるように形成することができる。
図１に示すように、前記活性層１０から放出される光が臨界角より大きい角度(θ１)を有する経路(Ａ)に進む時、Ｐ-ＧａＮ層２０の内部にマイクロレンズ３０が存在しない場合全反射され外部に放出できず、‘Ｂ'の経路に進む。
前記Ｐ-ＧａＮ層２０の内部にマイクロレンズ３０が存在すれば、光はマイクロレンズ３０で屈折され、マイクロレンズ３０の曲率半径による臨界角より小さい角度(θ２)で外部に放出される‘Ｃ'の経路に進行する。
従って、本発明の第１実施形態では、発光ダイオードのＰ-ＧａＮ層２０の内部に複数個のマイクロレンズ３０を形成して、活性層１０から放出される光の全反射を減らすことができ、それによって光の損失が減少される。
そして、前記活性層から発生された光がマイクロレンズに到達すれば、レンズの集束によって大した損失なしに光が空気中に抜け出られる。
つまり、発光ダイオードの光抽出効率をアップすることができるようになる。
一方、前記マイクロレンズを形成する方法の一例として、図１を参照して説明すれば、活性層１０の上部にＰ-ＧａＮ層を形成し、そのＰ-ＧａＮ層の上部に光を透過できる物質をマイクロレンズアレイ状に形成し、マイクロレンズアレイを含むＰ-ＧａＮ層の上部に再びＰ-ＧａＮ層を成長させると実現できる。
ここで、光を透過できる物質は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、ＩｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＳｎＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、
Ｃｏ及びＣｒのうち、いずれか一つの物質である。
図２ａ及び図２ｂは、本発明の第１実施形態による発光ダイオードの概略的な断面図である。まず図２ａの発光ダイオードは、サファイア基板１００の上部にＮ-ＧａＮ層１１０、活性層１２０とＰ-ＧａＮ層１３０が順次に形成されており、前記Ｐ-ＧａＮ層１３０からＮ-ＧａＮ層１１０の部分までエッチングによって除去され、前記Ｎ-ＧａＮ層１１０の一部領域が露出される。前記Ｎ-ＧａＮ層１1０とＰ-ＧａＮ層１３０の内部には、相互に離隔された複数個のマイクロレンズ１７１、１７２が配列される。前記Ｎ-ＧａＮ層１１０の露出された領域上部にＮ電極パッド１５１が形成され、前記Ｐ-ＧａＮ層１３０の上部にＰ電極パッド１５２が形成される。
そして、図２ｂの発光ダイオードは、Ｎ-ＡｌＧａＡｓ基板２００の上部に活性層２１０とＰ-ＡｌＧａＡｓ層２２０が順次、形成されており、前記活性層２１０の周辺のＮ-ＡｌＧａＡｓ基板２００とＰ-ＡｌＧａＡｓ層２１０の内部には、相互に離隔された複数個のマイクロレンズ２７１、２７２が配列される。前記Ｎ-ＡｌＧａＡｓ基板２００の下部にＮ電極パッド２３１が形成され、前記Ｐ-ＡｌＧａＡｓ層２２０の上部にＰ電極パッド２３２が形成される。
前記図２ａ及び図２ｂにおいて、マイクロレンズを活性層上下のＮ型またはＰ型半導体にだけ独立して適用することができ、あるいはＮ型層あるいはＰ型層の双方に適用することもできる。
ここで、前記マイクロレンズは活性層に平行に配列されることが望ましい。
図３は、本発明の第２実施形態によって、発光ダイオードの輝度を改善するための方法を説明するための概念図である。活性層１０の上部に形成されたＰ-ＧａＮ層２０の上部面に、前記Ｐ-ＧａＮ層２０の屈折率より小さい屈折率を有する物質よりなり、相互に離隔された複数個の凸部５０が形成されている。
前記活性層１０から放出される光が臨界角より大きい角度(θ３)を有する経路(Ｄ)に進行する際、Ｐ-ＧａＮ層２０の内部に凸部５０が存在しない場合、全反射され、外部に放出できず、‘Ｅ'の経路に進行する。
これに反して、Ｐ-ＧａＮ層２０の内部に凸部５０が存在すれば、光は凸部５０から屈折され、臨界角より小さい角度(θ４)で‘Ｆ'の経路に沿って外部に放出される。
この際、光が凸部５０を介して外部に放出される時、臨界角より小さい角度に進む理由は、前記凸部５０の屈折率がＰ-ＧａＮ層２０より小さいからである。
したがって、本発明の第２実施形態では、発光ダイオードのＰ-ＧａＮ層２０の上部面に複数個の凸部５０を形成して、活性層１０から放出される光の全反射を減らすことができ、それによって光の損失を減少させる。
図４ａないし図４ｃは、本発明の第２実施形態による発光ダイオードの概略的な断面図である。図４ａの発光ダイオードは、図２ａの発光ダイオード構造において、Ｐ-ＧａＮ層１３０の内部にマイクロレンズを形成せず、Ｐ-ＧａＮ層１３０の上面に、Ｐ-ＧａＮ層１３０の屈折率より小さい屈折率を有する物質よりなる複数個の凸部３０１を形成したものである。
そして、図４ｂの発光ダイオードは、図２ｂの発光ダイオード構造において、Ｎ-ＡｌＧａＡｓ基板２２０とＰ−ＡｌＧａＡｓ層２２０の内部にマイクロレンズを形成せず、Ｐ-ＡｌＧａＡｓ層２２０とＮ-ＡｌＧａＡｓ基板２００のそれぞれの屈折率より小さい屈折率を有する物質よりなる複数個の凸部３０１、３０２を、Ｐ-ＡｌＧａＡｓ層２２０の上面とＮ−ＡｌＧａＡｓ基板２００の下面のそれぞれに形成したものである。
この際、図４ａ及び図４ｂの発光ダイオードにおいて、Ｐ-ＧａＮ層１３０とＰ-ＡｌＧａＡｓ層２２０の上部面には電流拡散用透明電極をさらに形成でき、その電流拡散用透明電極の上部に凸部を形成できる。
また、図４ｃの発光ダイオードは、基板１００の上部にＮ型半導体層１１０、活性層１２０とＰ型半導体層１３０が順次に形成されている。前記Ｐ型半導体層１３０からＮ型半導体層１１０の一部まで部分的にエッチングされ、前記Ｎ型半導体層１１０の一部領域が露出されており、この露出された領域上部にＮ電極パッド１５１が形成されており、前記Ｐ型半導体層１３０の上部にＰ電極パッド１５２が形成されている構造である。
前記発光ダイオードの基板１００とＮ型半導体層１１０の界面、または前記Ｎ型半導体層１１０の露出された領域の上部には相互に離隔され、前記Ｎ型半導体層１１０より屈折率が小さい複数個の凸部３０１、３０２が配列されている。
そして、前記Ｎ電極パッド１５１は、前記複数個の凸部３０１の一部を覆って、前記Ｎ型半導体層１１０の露出された領域の上部に形成されている。
図５ａないし図５ｅは、本発明の第２実施形態による凸部の形状を示した斜視図である。凸部は、列と行に配列されたマイクロレンズ(図５ａの３１１)、円筒(図５ｂの３１２)と四角筒(図５ｃの３１３)のうちいずれか一つ、またはストライプ(stripe)状に配列された半円筒（図5ｄの３１４）とストライプ(stripe)状に配列された長方形筒(図５eの３１４)のうち、いずれか一つに形成することができる。
ここで、マイクロレンズの直径(ｄ１)、円筒の直径(ｄ２)、四角筒の幅(Ｗ１)、半円筒の線幅(Ｗ２)と直角筒の線幅(Ｗ３)は、１ｎｍ〜１００μｍの範囲内に存在することが望ましい。
前述したように、本発明は化合物半導体物質を用いた発光ダイオードを製造する際、輝度を改善させる目的として、活性層上下の半導体層内部または表面に、活性層上下の半導体層と屈折率が異なる物質を導入して、内部から発生された光の抽出効率を極大化させられる。
そして、マイクロレンズと凸部はＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯなどの透明伝導性酸化膜(Transparent Conducting Oxide、ＴＣＯ)とＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの誘電体物質、それからＡｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒなどの金属で形成することができ、その形態がマイクロレンズ状の時、その効果は極大化できる。
この際、前記マイクロレンズと凸部は、一定した間隔またはランダム(Random)に形成する。
本発明は具体的な例についてだけ詳細に説明されたが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能なことは当業者にとって明らかであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然である。
活性層前後の半導体層の内部または表面に光の全反射を減らせる構造物を形成して発光ダイオードの光を効率よく抽出して輝度を増加させられる発光ダイオードに適用される。
本発明の第１実施形態によって発光ダイオードの輝度を改善するための方法を説明するための概念図である。 本発明の第１実施形態による発光ダイオードの概略的な断面図である。 本発明の第１実施形態による発光ダイオードの概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードの輝度を改善するための方法を説明するための概念図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードの概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードの概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードの概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態による凸部の形状を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態による凸部の形状を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態による凸部の形状を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態による凸部の形状を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態による凸部の形状を示した斜視図である。
符号の説明
１０、１２０、２１０ : 活性層
２０、１３０ : Ｐ-ＧａＮ層
３０、１７１、１７２、３１１ : マイクロレンズ
５０、３０１、３０２ : 凸部
１００ : サファイア基板
１１０ :Ｎ-ＧａＮ層
１５１、２３１ : Ｎ電極パッド
１５２、２３２ : Ｐ電極パッド
２００ : Ｎ-ＡｌＧａＡｓ基板
２２０ : Ｐ-ＡｌＧａＡｓ層
３１２ : 円筒
３１３ : 四角筒
３１４ : 長方形筒
３１５ ：半円筒

Claims (11)

  1. 基板の上部にＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層が順次に形成され、前記Ｐ型半導体層からＮ型半導体層の一部まで部分的にエッチングされることによって、前記Ｎ型半導体層の露出された領域の上部にＮ型電極パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成されている発光ダイオードにおいて、
    前記Ｎ型半導体層とＰ型半導体層のいずれか一つの半導体層の内部領域とＮ型半導体層と、Ｐ型半導体層の双方の内部領域のうち、いずれか一つの領域には、相互に離隔され、前記Ｎ半導体層またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個のマイクロレンズが配列されていることを特徴とする発光ダイオード。
  2. Ｎ型半導体基板の上部に、活性層及びＰ型半導体層が順次に形成され、前記Ｎ型半導体基板の下部にＮ電極パッドが形成されており、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成された発光ダイオードにおいて、
    前記Ｎ型半導体基板とＰ型半導体層のうち、いずれか一つの半導体層の内部領域、またはＮ型半導体基板とＰ型半導体層の両者の内部領域には、
    相互に離隔され、前記Ｎ型半導体基板またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個のマイクロレンズが配列されていることを特徴とする発光ダイオード。
  3. 前記マイクロレンズは、
    ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、ＩｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＳｎＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｏ及びＣｒのうち、いずれか一つで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
  4. Ｎ型半導体基板の上部に活性層とＰ型半導体層が順次に形成されており、前記Ｎ型半導体基板の下部にＮ電極パッドが形成されており、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成されてなる発光ダイオードにおいて、
    前記Ｎ型半導体基板の下部面とＰ型半導体層の上部面のうち、いずれか一つの領域、または前記Ｎ型半導体基板の下部面とＰ型半導体層の上部面の両者の領域には、
    相互に離隔され、前記Ｎ型半導体基板またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個の凸部が配列されていることを特徴とする発光ダイオード。
  5. 前記凸部は、
    列と行に配列されたマイクロレンズ、円筒及び四角筒のうち、いずれか一つまたはストライプ状に配列された長方形筒と半円筒のうち、いずれか一つで形成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
  6. 前記凸部は、
    ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｒＯ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、ＩｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＳｎＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、ＣｏとＣｒのうち、いずれか一つで形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の発光ダイオード。
  7. 前記マイクロレンズの直径(ｄ１)、円筒の直径(ｄ２)、四角筒の幅(Ｗ１)、半円筒の線幅(Ｗ２)及び直角筒の線幅(Ｗ３)は、それぞれ１ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
  8. 基板の上部にＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層が順次に形成され、前記Ｐ型半導体層からＮ型半導体層の一部まで部分的にエッチングされることによって、前記Ｎ型半導体層の露出された領域の上部にＮ型電極パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上部にＰ電極パッドが形成されている発光ダイオードにおいて、
    前記Ｐ型半導体層の上部面、または前記基板とＮ型半導体層の界面のうち、いずれか一つの領域には、
    相互に離隔され、前記Ｎ型半導体層またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個の凸部が配列されていることを特徴とする発光ダイオード。
  9. 前記Ｎ型半導体層の露出された領域の上部にも相互に離隔され、前記Ｎ型半導体基板またはＰ型半導体層より屈折率が小さい複数個の凸部がさらに配列されており、
    前記Ｎ電極パッドは、前記複数個の凸部の一部を覆って、前記Ｎ型半導体層の露出された領域上部に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード。
  10. 前記凸部は、
    列と行に配列されたマイクロレンズ、円筒及び四角筒のうち、いずれか一つ、またはストライプ状に配列された長方形筒と半円筒のうち、いずれか一つで形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の発光ダイオード。
  11. 前記凸部は、
    一定の間隔またはランダム(Random)に形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の発光ダイオード。
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