JP2007208259A - 発光ダイオード素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光抽出効率の高い発光ダイオード素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】活性層１１６を含む半導体多層膜１１０と、前記半導体多層膜上に形成される透明電極層１２２とを有し、透明電極層の内部には透明電極層の屈折率とは異なる屈折率を有する物質からなる屈折領域部１２５が埋め込まれる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光ダイオード素子及びその製造方法に係り、詳しくは、抽出効率を高めるために透明電極の構造を改善した発光ダイオード素子及びその製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓのような化合物半導体を利用して発光源を構成することにより、多様な色の光を発生させる半導体発光素子である。最近、物理的特性と化学的特性に優れる窒化物を利用することにより実現した高効率の三原色（赤、青、緑）及び白色ＬＥＤが登場し、ＬＥＤの応用範囲が広くなっている。特に、ＬＥＤ素子は、半導体レーザに比べて製造及び制御が容易であり、かつ蛍光灯に比べて長寿命であるので、蛍光灯に代替する次世代ディスプレイ装置の照明用光源として期待されている。

かかるＬＥＤ素子の特性を決定する基準としては、色彩、輝度、光度などがあり、これらは、一次的にはＬＥＤ素子に使われる化合物半導体の材料により決定される。また、ＬＥＤ素子の活性層で生成された光が効果的に外部に抽出されなければならないが、これは、透明電極やＬＥＤ素子パッケージの構造及び材質により決定される。

図１は、従来のＬＥＤ素子の構造を図示した図面である。図１を参照すれば、ＬＥＤ素子は、サファイア基板１１上に、Ｎ型半導体層１３、活性層１５、Ｐ型半導体層１７及び透明電極層１９が順次に積層された構造によりなる。

Ｎ型半導体層１３とＰ型半導体層１７との間に電圧を印加すれば、Ｐ型半導体層１７の正孔とＮ型半導体層１３の電子とが活性層１５において結合して発光がなされる。この光は、透明電極１９を介してＬＥＤ素子外に放出される。

しかし、このような構造は、光抽出効率（ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が低いという問題がある。光抽出効率というのは、活性層で発生した光が外部に放出される比率を意味し、光抽出効率が低い原因は、半導体層の屈折率と外部の屈折率との差によるものである。

図２は、図１のＬＥＤ素子の構造で、光が外部に放出される経路を表した図面である。活性層で生成された光が外部に放出されるとき、透明電極１９と外部との境界面１９ａで屈折が起こる。このとき、屈折率の大きい材質から低い材質に光が進む場合であるから、前記境界面への入射角が臨界角より大きい場合、全反射が起きてしまう。臨界角θｃは、数学式１の通りである。

例えば、透明電極１９の材質としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が使われた場合は該屈折率が２であり、外部の材質が空気層である場合は該屈折率が１であるため、臨界角は３０゜となる。すなわち、入射角が３０゜より小さな光のみ外部に放出され、それと同じであるか、または大きい場合、全反射により光が外部に放出されないので、光抽出効率が低くなるという問題がある。

本発明は、前記問題を解決するために案出されたものであり、高い光抽出効率を有する構造のＬＥＤ素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するための本発明によるＬＥＤ素子は、活性層を含む半導体多層膜と、前記半導体多層膜上に形成される透明電極層とを有し、前記透明電極層の内部には、前記透明電極層の屈折率とは異なる屈折率を有する物質からなる屈折領域部が埋め込まれていることを特徴とする。

前記の目的を達成するための本発明によるＬＥＤ素子の製造方法は、基板上に活性層を含む半導体多層膜を形成する段階と、前記半導体多層膜上に第１透明電極層を形成する段階と、前記第１透明電極層上に前記第１透明電極層とは屈折率の異なる物質を蒸着して屈折層を形成する段階と、前記屈折層をパターニング及びエッチングすることにより屈折領域部を形成する段階と、前記屈折領域部と前記第１透明電極層との上に第２透明電極層を形成して前記屈折領域部を埋め込む段階と、を含むことを特徴とする。

また、前記の目的を達成するための本発明によるＬＥＤ素子の他の製造方法は、基板上に活性層を含む半導体多層膜を形成する段階と、前記半導体多層膜上に第１透明電極層を形成する段階と、前記第１透明電極層をパターニング及びエッチングして前記第１透明電極層上に複数個の溝を形成する段階と、前記溝の形成された前記第１透明電極層上に前記溝の側面に対して斜めの角度から前記第１透明電極層と同一の物質を蒸着して第２透明電極層を形成することにより前記第１透明電極層と前記第２透明電極層との間に空気が充填された屈折領域部を形成する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明によるＬＥＤ素子は、透明電極層の内部に透明電極層と屈折率の異なる物質からなる屈折領域部が形成されている構造を有するので、半導体活性層で生成された光が透明電極層を介して外部に放出されるとき、屈折領域部により屈折されることにより、光抽出効率が高まるという長所がある。また、透明電極層に凹凸を形成しない構造の実施形態の場合には、透明電極層がエッチングにより損傷されることにより、透明度が低下したり、抵抗が増加するという問題もない。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図３は、本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子の構造を示した図面である。図３を参照すれば、ＬＥＤ素子は、サファイア基板１００上に、半導体多層膜１１０と透明電極層１２２とが積層された構造によりなる。

半導体多層膜１１０は、Ｎ型半導体層１１３、活性層１１６、Ｐ型半導体層１１９を備えており、各層の材質としては、ＧａＮのような化合物半導体が使われ得る。

透明電極層１２２の内部には、活性層１１６で生成された光を屈折させて外部に放出される光の効率を高める屈折領域部１２５が形成されている。屈折領域部１２５は、透明電極層１２２と屈折率の異なる物質もしくは空気が充填されたエアーキャビティからなる。

透明電極層１２２の材質としては、可視光領域の光に対しての透過度が高く、かつ電気伝導度の高い材料が使われる。例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような材質が使われ得る。

活性層１１６で生成された光が透明電極層１２２を経由して外部に放出されるとき、屈折領域部１２５は、活性層１１６で生成された光を屈折させて外部への光抽出効率を高める役割を担う。従って、屈折領域部１２５は、透明電極層１２２と屈折率の異なる物質からならなければならない。また、光抽出効率をより高めるために、透明電極層１２２との屈折率差が大きいことが望ましい。

屈折領域部１２５を形成する物質としては、透明電極層１２２より屈折率の小さな物質、例えば、ＳｉＯ_２、多孔質ＳｉＯ_２、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４、ＣａＣＯ_３、ＢａＢ_２Ｏ_４、ＮａＦ、Ａｌ_２Ｏ_３が使われ得る。また、透明電極層１２２より屈折率の大きい物質、例えば、ＳｉＣ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＩＯ_３、ＰｂＭｏＯ_４、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２が使われ得る。

屈折領域部１２５は、複数個の屈折領域１２６からなり、一定の周期Ｔをもって規則的に配列される。ただし、これは、例示的なものであり、非規則的な配列も可能である。

透明電極層１２２の上部には、キャッピング層としてレジン層１２８がさらに形成されてもよい。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の構造が光抽出効率を高めることとなる原理を概略的に示す図面である。活性層１１６で生成された光は、透明電極層１２２を経由して外部に放出されるが、このとき、外部との境界面１２２ａに入射する光のうち、臨界角θｃより小さな入射角を有する光は、全反射が起きないので、外部に放出される。また、入射角θｉ１が臨界角θｃより大きい場合も、屈折領域部１２５を経由して透明電極層１２２と外部との境界面１２２ａに達するとき、後述するように、境界面１２２ａへの入射角θｉ２は、θｉ１より小さくなるので、全反射されず外部に放出される確率が高まることとなる。

図４Ａは、屈折領域部１２５を経由する光の経路を屈折領域部１２５の屈折率が透明電極層１２２の屈折率より小さな場合について図示したものである。入射角がθｉ１である光の経路について説明すると、屈折領域１２６の側面１２６ａへの入射角は、９０−θｉ１になる。前記側面１２６ａでの光の屈折角を９０−θ２とすれば、屈折領域１２６の屈折率が透明電極層１２２の屈折率より小さな場合であるから、９０−θ２は、９０−θｉ１より大きい値となる。すなわち、θ２は、θｉ１より小さな値となる。また、屈折領域１２６の上面１２６ｂへの入射角はθ２であり、屈折角は、これより小さなθｉ２となる。

このように、臨界角より大きい角度で入射した光も、前記経路を経ることにより外部との境界面１２２ａでの入射角θｉ２は、小さくなる。このように小さくなった角が臨界角θｃより小さくなる場合、かかる光は、外部に放出されるので、全体的に外部に放出される光が多くなる。

図４Ｂは、屈折領域部１２５を経由する光の経路を、屈折領域部１２５の屈折率が透明電極層１２２の屈折率より大きい場合について図示したものである。臨界角θｃより大きい入射角θｉ１を有する光度屈折領域１２６の下面１２６ｃ及び側面１２６ｄを経由して屈折され、外部との境界面１２２ａでの入射角θｉ２はθｉ１より小さな値になる。従って、θｉ２が臨界角θｃより小さな値になる確率が高まり、外部に放出される光は多くなる。

図５は、本発明との比較例として標準的なＬＥＤ素子の断面構造を示した図面である。図５を参照すれば、ＬＥＤ素子は、サファイア基板５１上に、Ｎ型半導体層５３、活性層５５、Ｐ型半導体層５７、透明電極層５９及びレジン層６１が順次積層された構造によりなっている。透明電極層５９の上面に凹凸構造が形成されており、前記凹凸構造は、周期Ｔで反復配列されている。

図６は、図５のＬＥＤ構造で、光が外部に放出される経路を示した図面である。図６を参照すれば、入射角がθｉである光が凹凸の形成された側面壁５９ａ側を経由して外部に放出される場合は、側面壁５９ａとの入射角は、９０−θｉとなる。入射角θｉが臨界角θｃより小さな場合は勿論であるが、９０゜−θｉが臨界角より小さなときであっても光が外部に放出されうるので、光抽出効率が改善される。

図７は、図３に示した構造よりなる本発明によるＬＥＤ素子の光抽出効率と図５に比較例として示した標準的なＬＥＤ素子の光抽出効率とをシミュレーションした結果をグラフ化して示したものである。

ｘ軸はＴ／λの値であり、ここで、Ｔは、屈折領域部（図３の１２５）の配列の周期Ｔ、または凹凸形状が配列された周期を意味し、λは、活性層で生成される光の波長を意味する。ｙ軸は、従来構造（図１）のＬＥＤ素子に対する光抽出効率の増加率を表したものである。点線で表示したのは、比較例のＬＥＤ素子（図５）の場合であり、実線で表示したものは、本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子（図３）の場合である。

シミュレーションは、Ｔ／λの値を増加させることにより行った。、透明電極層の材質としてＩＴＯを使い、屈折領域部は、エアーキャビティとした。すなわち、透明電極層の屈折率は２であり、屈折領域部の屈折率は１である。

本発明によるＬＥＤ素子と比較例のＬＥＤ素子のシミュレーション結果を比較すると、本発明によるＬＥＤ素子の光抽出効率が最大４０％改善されており、比較例のＬＥＤ素子と比べても、改善率が高いということが分かる。また、比較例の場合、透明電極（図５の５９）に凹凸を形成するためのエッチング工程において、エッチングによる損傷により透明度が低下したり、抵抗増加などによって電極特性が低下し得る。従って、この点においても本発明の構造が比較例に対して有利であり、さらに改善されたものであるといえる。

光抽出効率は、Ｔ／λの値が大きくなるにつれて増加し、一定の値で飽和されるということが分かる。Ｔ／λの値が０から１までは増加率が非常に大きく、１以上で増加率が飽和されるということが分かる。Ｔ／λの値が０．５より大きいと、従来構造のＬＥＤ素子と比較してほぼ２０％以上光抽出効率が改善されるということが分かる。

上記シミュレーションは、限定され変数に対してだけ行っていると言える。従って、他の変数に対してシミュレーションを行うことにより、光抽出効率がさらに改善される構造を特定でき得る。例えば、屈折領域部（図３の１２５）の大きさや透明電極層（図３の１２２）内での具体的な位置などが適切に選択され得る。

図８Ａないし図８Ｄは、本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。

まず、図８Ａに示すように、サファイア基板２００上に、Ｎ型半導体層２１３、活性層２１６、Ｐ型半導体層２１９を結晶成長させた後、第１透明電極層２２２を蒸着する。

次に、図８Ｂに示すように、第１透明電極層２２２と屈折率の異なる物質からなる屈折層２２４を第１透明電極層２２２上に蒸着した後、図８Ｃに示すように、パターニング及びエッチング工程により、屈折領域部２２５を形成する。

その後、図８Ｄに示すように、屈折領域部２２５の形成された第１透明電極層２２２上に第２透明電極層２２８を蒸着し、屈折領域部２２５を第１透明電極層２２２及び第２透明電極層２２８内に埋め込むことにより、ＬＥＤ素子が完成する。

図９Ａないし図９Ｃは、本発明の他の実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。

図９Ａに示すように、サファイア基板３００上に、Ｎ型半導体層３１３、活性層３１６、Ｐ型半導体層３１９を結晶成長させた後、第１透明電極層３２２を蒸着する。次に、図９Ｂに示すように、蒸着された第１透明電極層３２２上に、パターニング及びエッチングを行って溝３２４を形成する。次に、図９Ｃに示すように、電子ビーム蒸着器により、第２透明電極層３２８を蒸着する。矢印Ａは、電子ビームにより蒸着される方向を表したものである。溝３２４の側面に対して斜めの角度から電子ビーム蒸着を行う場合、グルーブ３２４内には、電子ビームが達しないシャドー領域（ｓｅｌｆ−ｓｈａｄｏｗｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）が生じる。従って、前記グルーブ３２４が充填されずに第２透明電極層３２８で覆われ、屈折領域部３２５がエアーキャビティになったＬＥＤ素子が製造できる。

本願発明であるＬＥＤ素子及びその製造方法は、理解を容易にするために添付された図面に図示された実施形態を用いて説明したが、それらは例示的なものにすぎず、当技術分野における当業者ならば、前記実施形態以外にも多様な変形及び均等な他の実施形態により本発明が実施可能であるという点を理解することができるであろう。従って本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によってのみ定められるものである。。

本発明のＬＥＤ素子及びその製造方法は、例えば、発光素子に関連する技術分野に効果的に適用可能である。

従来のＬＥＤ素子を示した概略的な断面図である。 図１のＬＥＤ素子で、光が放出される経路を示した図面である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子を示した概略的な断面図である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子で、屈折領域部の屈折率が透明電極層の屈折率より小さな場合について光が放出される経路を示した図面である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子で、屈折領域部の屈折率が透明電極層の屈折率より大きい場合について光が放出される経路を示した図面である。 本発明との比較例としての標準的なＬＥＤ素子の構造を示した図面である。 比較例のＬＥＤ素子において、光が放出される経路を示した図面である。 本発明の実施形態によるＬＥＤ素子の光抽出効率と、比較例のＬＥＤ素子の光抽出効率とを比較して示したグラフである。 本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。 本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。 本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。 本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。 本発明の他の実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。 本発明の他の実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。 本発明の他の実施例によるＬＥＤ素子の製造方法を示した図面である。

符号の説明

１１、５１、１００、２００、３００ サファイア基板、
１３、５３、１１３、２１３、３１３ Ｎ型半導体層、
１５、５５、１１６、２１６、３１６ 活性層、
１７、５７、１１９、２１９、３１９ Ｐ型半導体層、
１９、５９、１２２ 透明電極層、
１９ａ、１２２ａ 外部との境界面、
５９ａ 活性化された側面壁、
６１、１２８ レジン層、
１１０ 半導体多層膜、
１２５、２２５、３２５ 屈折領域部、
１２６ 屈折領域、
１２６ａ、１２６ｄ 屈折領域の側面、
１２６ｂ 屈折領域の上面、
１２６ｃ 屈折領域の底面、
２２２、３２２ 第１透明電極層、
２２８、３２８ 第２透明電極層、
２２４ 屈折層、
３２４ グルーブ、
Ａ 電子ビームの蒸着方向、
Ｔ 周期。

Claims (12)

1. 活性層を含む半導体多層膜と、
   前記半導体多層膜上に形成される透明電極層と、を有し、
   前記透明電極層の内部には、前記透明電極層の屈折率とは異なる屈折率を有する物質からなる屈折領域部が埋め込まれていることを特徴とする発光ダイオード素子。
2. 前記屈折領域部は、前記透明電極層の屈折率よりも相対的に低い屈折率を有する物質からなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子。
3. 前記透明電極層は、ＩＴＯ、ＺｎＯ及びＳｎＯ_２のうちから選択されたいずれか１つの物質からなり、
   前記屈折領域部は、ＳｉＯ_２、多孔質ＳｉＯ_２、ＫＤＰ、ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４、ＣａＣＯ_３、ＢａＢ_２Ｏ_４、ＮａＦ及びＡｌ_２Ｏ_３のうちから選択されたいずれか１つの物質からなることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード素子。
4. 前記屈折領域部は、前記透明電極層の屈折率よりも相対的に高い屈折率を有する物質からなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子。
5. 前記透明電極層は、ＩＴＯ、ＺｎＯ及びＳｎＯ_２のうちから選択されたいずれか一つの物質からなり、
   前記屈折領域部は、ＳｉＣ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＩＯ_３、ＰｂＭｏＯ_４、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２のうちから選択されたいずれか一つの物質からなることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード素子。
6. 前記屈折領域部は、その内部に空気が充填されたエアーキャビティからなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子。
7. 前記屈折領域部は、前記透明電極層内に一定の周期をもって配列された複数個の屈折領域からなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の発光ダイオード素子。
8. 前記複数個の屈折領域が配列される前記一定の周期は、前記活性層から出力される光の波長の０．５倍以上であることを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード素子。
9. 基板上に活性層を含む半導体多層膜を形成する段階と、
   前記半導体多層膜上に第１透明電極層を形成する段階と、
   前記第１透明電極層上に前記第１透明電極層とは屈折率の異なる物質を蒸着して屈折層を形成する段階と、
   前記屈折層をパターニング及びエッチングすることにより屈折領域部を形成する段階と、
   前記屈折領域部と前記第１透明電極層の上に第２透明電極層を形成して前記屈折領域部を埋め込む段階と、
   を含むことを特徴とする発光ダイオード素子の製造方法。
10. 前記屈折領域部は、前記透明電極層内に一定の周期をもって配列された複数個の屈折領域からなることを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
11. 前記複数個の屈折領域が配列される前記一定の周期は、前記活性層から出力される光の波長の０．５倍以上であることを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
12. 基板上に活性層を含む半導体多層膜を形成する段階と、
    前記半導体多層膜上に第１透明電極層を形成する段階と、
    前記第１透明電極層をパターニング及びエッチングして前記第１透明電極層上に複数個の溝を形成する段階と、
    前記溝の形成された前記第１透明電極層上に前記溝の側面に対して斜めの角度から前記第１透明膜層と同一の物質を蒸着して第２透明電極層を形成することにより前記第１透明電極層と前記第２透明電極層との間に空気が充填された屈折領域部を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする発光ダイオード素子の製造方法。

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