JP2007142368A

JP2007142368A - 垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子

Info

Publication number: JP2007142368A
Application number: JP2006251270A
Authority: JP
Inventors: Tae Sung Jang; チャンテソン; Su Yeol Lee; リスヨル; Seok Beom Choi; チェソクボン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2007-06-07
Also published as: US20070114552A1; KR100640496B1; US7372078B2

Abstract

【課題】垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子を提供する。
【解決手段】垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子は、ｎ型電極１１０と、前記ｎ型電極の下面にｎ型窒化ガリウム層１２０、活性層１３０及びｐ型窒化ガリウム層１４０が下に順次形成された発光構造物と、前記発光構造物の下面に形成されたｐ型電極と、前記発光構造物の側面及び下面を覆い、前記ｐ型電極１５０の一部を露出させるように形成されており、分散ブラッグ反射器からなる保護膜と、前記保護膜及び前記ｐ型電極の下面に形成されたメッキシード層と、前記メッキシード層の下面に形成された構造支持層と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直構造（垂直電極型）窒化ガリウム系（ＧａＮ）発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ；以下、ＬＥＤという）素子に関し、さらに詳細には、垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の側面に向かって発光する光を発光面に反射させることで高輝度を具現する垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に関する。

一般に、窒化ガリウム系ＬＥＤは、サファイア基板上に成長するが、かかるサファイア基板は硬く、電気的に不導体であり、熱伝導特性がよくないことから、窒化ガリウム系ＬＥＤのサイズを減らして製造原価を低減するのに限界があり、また光出力及びチップの特性を改善させるのにも限界がある。特に、ＬＥＤの高出力化のためには、大電流の印加が必須となっているため、ＬＥＤの熱放出問題を解決することが重要である。上記のような問題を解決するための手段として、従来は、レーザリフトオフ（ＬａｓｅｒＬｉｆｔ−Ｏｆｆ；以下、ＬＬＯという）を用いてサファイア基板を除去した垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が提案されている。

以下に、図１を参照して従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について詳細に説明する。

図１は、従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図であって、従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、Ｃｒ／Ａｕからなるｎ型電極１１０と、該ｎ型電極１１０の下面にｎ型窒化ガリウム層１２０、活性層１３０、ｐ型窒化ガリウム層１４０が下に順次形成されている発光構造物と、該発光構造物の下面に形成されており、Ｃｒ／Ａｕからなるｐ型電極１５０とを備えてなる。

また、外部回路とボンディングされる前記ｐ型電極１５０の一部分を除外した発光構造物の下面及び側面には、ＳｉＯ₂のような絶縁物からなる保護膜１６０が形成されている。このとき、前記保護膜１６０は、ＬＥＤ素子がそれと隣接する素子間に互いに電気的に短絡されるという問題を防止する機能を果たす。

また、前記保護膜１６０及び前記ｐ型電極１５０の最外表面には、最終的なＬＥＤ素子の支持層としての機能を行う構造支持層２００が形成されている。

ここで、説明していない図面符号１７０は、構造支持層２００が電解メッキまたは無電解メッキ法により形成されるとき、メッキ工程を行うときのメッキ結晶核の機能を果たすメッキシード層（ｓｅｅｄｌａｙｅｒ）であり、図面符号２１０及び２２０は、構造支持層２００を構成する第１及び第２メッキ層である。

ところが、従来の技術に係る前記メッキシード層は、Ａｕ，Ｃｕ，Ｔａ及びＮｉなどの金属により前記発光構造物の下面と側面を取り囲んでおり、前記発光構造物から発光する光の一部を吸収して素子の全体的な発光効率を低下させるという問題がある。すなわち、Ａｕ，Ｃｕ，Ｔａ及びＮｉなどの金属で形成されている従来のメッキシード層は、反射率が低いため、活性層から発光する光のうち、メッキシード層へ向かう光を吸収して消滅させることから、光抽出の効率を低下させて輝度を減少させるという問題がある。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、前記発光構造物とメッキシード層との間に形成された保護膜を反射率の高い分散ブラッグ反射器（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ；以下、ＤＢＲという）で形成することによって、発光構造物から発光する光の一部がメッキシード層に吸収及び散乱されることを防止して、光抽出の効率を向上させ得る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子によれば、ｎ型電極と、前記ｎ型電極の下面にｎ型窒化ガリウム層、活性層及びｐ型窒化ガリウム層が下に順次形成された発光構造物と、前記発光構造物の下面に形成されたｐ型電極と、前記発光構造物の側面及び下面を覆い、前記ｐ型電極の一部を露出させるように形成されており、分散ブラッグ反射器からなる保護膜と、前記保護膜及び前記ｐ型電極の下面に形成されたメッキシード層と、前記メッキシード層の下面に形成された構造支持層と、を備える。

また、前記ＤＢＲが、低屈折率膜及び高屈折率膜が順次積層された半導体パターンが１つ以上積層されてなることが好ましい。

また、前記低屈折率膜が、高屈折率膜に比べて相対的に屈折率の低い屈折率膜であり、前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜が、基準波長のλ／４の厚さを有する。このとき、前記ＤＢＲを構成する半導体パターンの数は、ＬＥＤ素子から発光させようとする光の波長に応じて調節可能であり、これにより、前記ＤＢＲからなる保護膜の反射率を極大化することができる。

また、前記金属シード層が、接着層及び反射層が順次積層されている二重層からなることが好ましい。

このとき、前記接着層が、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ及びこれらが１つ以上混合された合金からなる群の中から選択された少なくとも１つの金属からなり、前記反射層が、Ａｇ，Ａｌ，Ｐｔ及びこれらが１つ以上混合された合金からなる群の中から選択された少なくとも１つの金属からなることが好ましい。

本発明によれば、前記保護膜を反射率の高いＤＢＲで形成することによって、メッキシード層に向かって発光する光を反射させて、メッキシード層に吸収または散乱されて消滅する光を確保することにより、光抽出の効率を向上させ得る。

また、本発明は、前記メッキシード層を接着層及び反射層が順次積層されている二重層に形成することによって、前記メッキシード層と保護膜との接着力を向上させ、メッキシード層に光が吸収されて消滅することを最小化して、光抽出の効率をさらに向上させ得る。

したがって、本発明は、高輝度を具現する垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。

図において複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書の全体において類似の構成要素については同一の符号を付している。

以下に、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について、図を参照して詳しく説明する。

＜第１の実施の形態＞
まず、図２及び図３を参考に、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について詳細に説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図であり、図３は、本発明の第１の実施の形態に係る保護膜を示す部分断面図である。

図２及び図３を参考にすれば、本発明に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の最上部には、外部素子と電気的に接続するためのｎ型ボンディングパッド（図示せず）が形成されている。

前記ｎ型ボンディングパッドの下面には、ｎ型電極１１０が形成されている。このとき、前記ｎ型電極１１０は、電極の機能及び反射の機能を同時に行うよう、反射率の高い金属からなることが好ましい。

前記ｎ型電極１１０の下面には、ｎ型窒化ガリウム層１２０が形成されており、さらに詳細に、前記ｎ型窒化ガリウム層１２０は、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成されることができる。

一方、電流拡散現象を向上させるために、本発明は、前記ｎ型電極１１０と接している前記ｎ型窒化ガリウム層１２０上には、ｎ型透明電極（図示せず）をさらに備えている。

前記ｎ型窒化ガリウム層１２０の下面には、活性層１３０及びｐ型窒化ガリウム層１４０が下に順次積層されて発光構造物をなす。このとき、前記発光構造物のうち、活性層１３０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で構成された多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ−ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）で形成されることができ、前記ｐ型窒化ガリウム層１４０は、前記ｎ型窒化ガリウム層１２０と同様に、ｐ型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成されることができる。

前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物のｐ型窒化ガリウム層１４０の下面には、ｐ型電極１５０が形成されている。前記ｐ型電極１５０も前記ｎ型電極１１０と同様に、電極の機能及び反射の機能を同時に行うよう、反射率の高い金属からなることが好ましい。

また、外部回路とボンディングされる前記ｐ型電極１５０の一部分を除外した発光構造物の下面及び側面には、素子がそれと隣接する素子間に互いに電気的に短絡されることを防止するための保護膜１６０が形成されている。

特に、本発明に係る前記保護膜１６０は、ＤＢＲからなっている。前記ＤＢＲは、λを光の波長とし、ｎを媒質の屈折率とし、ｍを奇数とするとき、互いに異なる屈折率の二媒質をｍλ／４ｎの厚さに交互に積層して、特定波長帯（λ）の光から９５％以上の反射率が得られる半導体パターンで形成された反射器であって、発振波長よりバンドギャップエネルギー（ｂａｎｄｇａｐｅｎｅｒｇｙ）が大きくて吸収が起きないようにし、前記半導体パターンをなす二媒質間の屈折率の差が大きいほど、反射率が大きくなる。

これにより、本発明によってＤＢＲからなる保護膜１６０は、図３に示すように、低屈折率膜１６０ａ及び高屈折率膜１６０ｂが順次積層された半導体パターンが１つ以上積層されている。このとき、前記低屈折率膜１６０ａ及び前記と屈折率膜１６０ｂは、基準波長のλ／４の厚さを有する。

さらに詳細に、前記保護膜１６０を構成する前記低屈折率膜１６０ａは、高屈折率膜１６０ｂに比べて相対的に屈折率が小さなければならない。例えば、一般に、低屈折率膜１６０ａには、ＳｉＯ₂（ｎ＝１．４），Ａｌ₂Ｏ₃（ｎ＝１．６）などが用いられ、高屈折率膜１６０ｂには、Ｓｉ₃Ｎ₄（ｎ＝２．０５〜２．２５），ＴｉＯ₂（ｎ＝２．１），Ｓｉ−Ｈ（ｎ＝３．２）などが用いられる。

本実施の形態では、低屈折率膜１６０ａとしてＡｌ₂Ｏ₃（ｎ＝１．６）を用い、高屈折率膜１６０ｂとしてＳｉ₃Ｎ₄（ｎ＝２．０５〜２．２５）を用いる。

一方、前記ＤＢＲを構成する低屈折率膜１６０ａ及び高屈折率膜１６０ｂが順次積層された半導体パターンの数は、ＬＥＤ素子から発光させようとする光の波長に応じて調節可能であり、これにより、本発明は、図４及び図５に示すように、前記ＤＢＲからなる保護膜の反射率を極大化できる。

ここで、図４は、図３に示す保護膜の厚さ変化に応じる反射度の変化を示すグラフであり、図５は、図３に示す保護膜の基準波長に応じる反射度の変化を示すグラフである。本実施の形態では、保護膜の基準波長として４６０ｎｍの波長を選択しており、それに応じて保護膜の厚さを変化させた。

前記保護膜１６０及び前記ｐ型電極１５０の最外表面には、メッキシード層１７０が形成されており、これは、後述する構造支持層を電解メッキまたは無電解メッキ法により形成するとき、メッキ工程を行うときのメッキ結晶核の機能を行うものであって、Ａｕ，Ｃｕ，Ｔａ及びＮｉなどの金属からなっている。

一方、従来は、Ａｕ，Ｃｕ，Ｔａ及びＮｉなどの金属からなる前記メッキシード層１７０に発光構造物から発光する光の一部が吸収されて消滅するという問題があったが、本発明は、前記メッキシード層１７０と発光構造物との間に位置するＤＢＲからなる保護膜１６０を介して、メッキシード層１７０へ向かう光を反射させて外部に放出させる。これにより、本発明に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子（図２参照）は、従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子（図１参照）に比べて、光抽出の効率を向上させることができることから、輝度を改善できるという利点がある。

また、本実施の形態に係る構造支持層２００は、第１メッキ層２１０と第２メッキ層２２０に区分されており、前記第１メッキ層２１０は、最終のＬＥＤ素子を支持する支持層の機能を行い、前記第２メッキ層２２０は、隣接するＬＥＤ素子間を互いに接続する機能を行うことから、ＬＥＤ素子の製造工程の際の素子の大量移動を容易にすることができる。

＜第２の実施の形態＞
図６を参考に、本発明の第２実施の形態について説明する。但し、第２の実施の形態の構成のうち、第１の実施の形態と同じ部分についた説明は省略し、第２の実施の形態において変わる構成についてのみ詳述する。

同図は、本発明の第２実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。

同図に示すように、第２実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、第１の実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウムＬＥＤ素子と大部分の構成が同一であり、但し、構造支持層を電解メッキまたは無電解メッキ法により形成するとき、メッキ工程を行うときのメッキ結晶核の機能を行うメッキシード層１７０が、Ａｕ，Ｃｕ，Ｔａ及びＮｉなどの金属を使用して単一層からなるものではなく、接着層１７０ａと反射層１７０ｂが順次積層されている二重層からなっている。

このとき、第２実施の形態に係る前記メッキシード層１７０を構成する前記接着層１７０ａは、酸化物との接着性が良好な金属すなわち、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ及びこれらが１つ以上混合された合金からなる群の中から選択された少なくとも１つの金属からなって、前記保護膜１６０との接着力をより良好にできるという利点がある。

また、前記反射層１７０ｂは、反射率の高い金属すなわち、Ａｇ，Ａｌ，Ｐｔ及びこれらが１つ以上混合された合金からなる群の中から選択された１つの金属からなり、これにより、前記発光構造物から発光する光を反射層１７０ｂを介して反射させて、発光面へ向かうようにすることが可能であることから、光抽出の効率をさらに向上させ得るという利点がある。

このような第２実施の形態は、第１の実施の形態と同じ作用及び効果が得られるのみならず、第１の実施の形態に比べて、前記メッキシード層１７０が接着層１７０ａ及び反射層１７０ｂからなる二重層に形成されているため、発光構造物から発光する光がメッキシード層１７０の内部に吸収または散乱されるのを防止できることから、垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の輝度及び保護膜とメッキシード層との接着力をさらに向上させ得るという点において、第１の実施の形態よりさらに優れた効果が得られる。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る保護膜を示す部分断面図である。図３に示す保護膜の厚さ変化に応じる反射度の変化を示すグラフである。図３に示す保護膜の基準波長に応じる反射度の変化を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１１０ｎ型電極
１２０ｎ型窒化ガリウム層
１３０活性層
１４０ｐ型窒化ガリウム層
１５０ｐ型電極
１６０保護膜
１６０ａ低屈折率膜
１６０ｂ高屈折率膜
１７０メッキシード層
１７０ａ接着層
１７０ｂ反射層
２００構造支持層
２１０第１メッキ層
２２０第２メッキ層

Claims

ｎ型電極と、
前記ｎ型電極の下面にｎ型窒化ガリウム層、活性層及びｐ型窒化ガリウム層が下に順次形成された発光構造物と、
前記発光構造物の下面に形成されたｐ型電極と、
前記発光構造物の側面及び下面を覆い、前記ｐ型電極の一部を露出させるように形成されており、分散ブラッグ反射器からなる保護膜と、
前記保護膜及び前記ｐ型電極の下面に形成されたメッキシード層と、
前記メッキシード層の下面に形成された構造支持層と、
を備える垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
前記分散ブラッグ反射器が、低屈折率膜及び高屈折率膜が順次積層された半導体パターンが１つ以上積層されてなることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
前記低屈折率膜が、高屈折率膜に比べて相対的に屈折率の低い屈折率膜であることを特徴とする請求項２に記載の垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
前記低屈折率膜及び前記高屈折率膜が、基準波長のλ／４の厚さを有することを特徴とする請求項２に記載の垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
前記金属シード層が、接着層及び反射層が順次積層されている二重層からなることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
前記接着層が、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ及びこれらが１つ以上混合された合金からなる群の中から選択された少なくとも１つの金属からなることを特徴とする請求項５に記載の垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
前記反射層が、Ａｇ，Ａｌ，Ｐｔ及びこれらが１つ以上混合された合金からなる群の中から選択された少なくとも１つの金属からなることを特徴とする請求項５に記載の垂直構造窒化ガリウム系発光ダイオード素子。