JP2008066442A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光効率を低コストで実現することのできる発光ダイオードを提供する。
【解決手段】ＤＢＲ光反射層６に凹凸が形成されているため、ＤＢＲ光反射層６で反射された光は、反射角が変わり、臨界角以下の方向に反射される可能性が生じ光を取り出すことができるようになる。また、この凹凸を形成した基板上にエピ層が形成されているため、エピ層表面にも凹凸部が形成されることになり、表面に向かった光も光取り出し効率が高くなるとともに、また表面で反射する光も反射方向が変えられるという効果もある。
【選択図】図３

Description

本発明は、高効率で低価格であることを特徴とする発光ダイオードに関する。

発光ダイオードは、赤色から青色までフルカラーが揃ったことから、照明用への応用が積極的に試みられるようになってきた。発光ダイオードを照明用として使おうとすると、省エネルギーの面から発光効率が高いことが要求される。このため、発光効率を高くするための構造開発が積極的に行われている。

一般的な発光ダイオードは、図５に示すように、基板１０６上にｐ型である上部クラッド層１０３とｎ型である下部クラッド層１０５で活性層１０４を挟み、電流分散層１０２の上部に上部電極１０１と基板１０６の下部に下部電極１０７を有する構造になっている。

この発光ダイオードでは、活性層１０４から表面側に向かった光の一部は取り出せるが、基板１０６側に向かった光は、基板１０６に吸収されてしまい、光取り出し効率の悪い発光ダイオードになってしまう。

そこで従来の技術として、図６（ａ）に示すように、ｐコンタクト層１０９ｂ（上部電極１０１側にはｎコンタクト層１０９ａが有る）と基板１０６の間に半導体多層薄膜からなるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）光反射層１０８を設けることによって、基板１０６側に向かった光の一部を反射させて、光取り出し効率を高め、さらに、下部電極１０７をＤＢＲ光反射層１０８上部の両脇に設けることによって発光ダイオード自体の抵抗を小さくすることを可能にした発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この発光ダイオードによると、基板１０６側に向かった光の一部をＤＢＲ光反射層１０８で反射させて、光取り出し効率を高めることが可能になる。

しかし、この発光ダイオードにおいて、光取り出し効率を更に高くするためには、活性層１０４の発光効率を高くするしかないが、活性層１０４の内部量子効率（活性層に注入された電子が光に変わる効率）は、ほぼ限界に達しており、これ以上の大幅な特性向上は難しい。また、限界に達しつつあるとはいえ、光取り出し効率は１０％以下でしかない。また図６（ａ）に示すように、ＤＢＲ光反射層１０８上部の両脇に下部電極を移動させると、発光面積が小さくなり、効率が高くなったとしても効果が相殺されてしまう。

そこで光取り出し効率を高めるものとして、図７に示すように（上下電極の図示省略）、バッファ層１１４と基板１０６との間に高効率の金属光反射層１１５を設けた発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。

この発光ダイオードによると、バッファ層１１４と基板１０６との間に高効率の金属光反射層１１５を設けることで、光取り出し効率を高めることが可能になる。

しかし、この発光ダイオードを製造するためには、ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードを例に取ると、ＧａＡｓ基板上に発光部となるエピ層を成長させ、その後エピ層とＧａＰ基板上のバッファ層１１４を接合面として貼り付けた後、ＧａＡｓ基板を除去するという複雑な製造工程を採用している。その結果、発光ダイオードの価格が高価になってしまう。

また、図８に示すように、ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードのエピ層と基板の間に金属光反射層１１６を設けることで、光取り出し効率を高めた発光ダイオードが知られている。

この発光ダイオードにおいても活性層１０４から基板側に向かった光が、金属光反射層１１６で反射され光取り出し効率を高めることができるが、この発光ダイオードを作るためには、図示しないＧａＡｓ基板上に発光部になるエピ層を成長させ、その表面に光反射と接合のために金属層を形成し、また、張替基板１１３にも接合用の金属層を形成し、それらを向かい合わせて接合した後に、ＧａＡｓ基板を除去しなければならない。
特開平７−１７６７８８号公報 米国特許第５３７６５８０号明細書 米国特許５５０２３１６号明細書

しかし、従来の発光ダイオードによると、活性層の発光効率を高くするためには、張替基板が必要となり、また、そのために製造工程が長くなる結果、発光ダイオードの価格が高くなる問題を有している。発光ダイオードは、多様な利用方法があり、そのためにも価格が安いことが強く要求されている。よって、発光ダイオードの価格を安くするためには、材料及び製造工程の簡略化が必要であり、図７や、図８の構造のように、１回のエピ成長ですませ、貼替等の工程を通さずに高輝度を達成できることが望ましい。

また、半導体多層膜構造であるＤＢＲ構造で高い効率が得られないのは、ＤＢＲ膜は、膜に対して垂直及び垂直に近い角度で入射した光に対しては高い反射率を示すが、斜めに入射した光に対しては、光を反射させることができない。このため、ＤＢＲ層に垂直及び垂直付近に向かった光のみが反射されることになり、高効率の光反射が達成できないことにあった。

従って、本発明の目的は、高い発光効率を低コストで実現することのできる発光ダイオードを提供することにある。

本発明によると、表面に多数の凹部または凸部を有する半導体基板と、前記半導体基板の表面一帯に半導体多層薄膜として形成されたＤＢＲ光反射層と、前記ＤＢＲ光反射層の表面一帯に形成され、活性層を第１の導電型の上部クラッド層と第２の導電型の下部クラッド層で挟んだ構造を有する発光部と、前記半導体基板の裏側と前記発光部の表面に形成された電極と、を有することを特徴とする発光ダイオードを提供する。

このような構成によれば、高い発光効率を低コストで実現することのできる発光ダイオードを提供することができる。

以下に、本発明の第１の実施の形態にかかる発光ダイオードを図面を参考にして詳細に説明する。

[第１の実施の形態]
（第１の実施の形態の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に関する発光ダイオードの概略構成図である。

この発光ダイオードは、上部中央に設置された直径１２０μｍの配線接続用の上部電極１と、膜厚が１０μｍでｐ型のＧａＰ層からなる電流分散層２と、ダブルヘテロ構造を持つ発光層１０の上部部分でｐ型の上部クラッド層３と、発光層の中心部で量子井戸構造を有する活性層４と、発光層１０の下部部分でｎ型の下部クラッド層５と、半導体の多層薄膜で形成され発光層１０からＧａＡｓ基板７側に向かった光を上部に反射するＤＢＲ光反射層６と、表面に直径１０μｍのＧａＡｓ基板凹部８が６回対称で密に形成されたＧａＡｓ基板７と、ＧａＡｓ基板７の裏面側の全面に設けられた下部電極９を有する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に関するＧａＡｓ基板７上に形成したＧａＡｓ基板凹部８の配置図である。

発光ダイオードを上方向から見ると、中央に図示しない上部電極１があり、その直下にはＧａＡｓ基板凹部８が規則正しく配列されている。発光ダイオードは一辺が３００μｍの正方形であり、ＧａＡｓ基板凹部８の直径ｄは１０μｍで深さは３μｍである。このＧａＡｓ基板７の裏面側には、図示しない下部電極９が形成されている。

ここで、ＧａＡｓ基板凹部８は、周期的に並んでいるのが最も好ましいが、必ずしも周期的でなくとも良い。

（第１の実施の形態の動作）
以下に、本発明の第１の実施の形態における発光ダイオードの動作を図１〜図８を参照しつつ説明する。

図３（ａ）は、本発明の発光ダイオードの量子井戸型活性層４を出た光がどのように反射を繰り返しながら外部に取り出せるのかを表した図である。

従来のＤＢＲ構造では、図６（ｂ）に示すように、臨界角以上で表面に向かった光は、エピ表面で反射され、その後表面とＤＢＲ光反射層１０８との間で反射を繰り返し光を取り出すことができなかった。これを回避するために、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＤＢＲ光反射層１０８に凹凸が形成されているためＤＢＲ光反射層１０８で反射された光は、反射角が変わり、臨界角以下の方向に反射される可能性が生じ光を取り出すことができるようになる。また、この凹凸を形成したＧａＡｓ基板７上にエピ層が形成されているため、エピ層表面にも凹凸部が形成されることになり、表面に向かった光も光取り出し効率が高くなるとともに、また表面で反射する光も反射方向が変えられるという効果もある。

量子井戸型活性層４から出た光１０は、ほぼ各層に対して垂直なため、反射して内部に止まること無く、外部に取り出すことができる。従来の発光ダイオードにおいても、図６（ｂ）で示すように、光１１０として外部に取り出すことが可能になる。

量子井戸型活性層４から出た光１１は、一度電流分散層２の内側で反射され、ＤＢＲ光反射層６の凹部で反射された後に、外部に取り出すことができる。従来の発光ダイオードでは、図６（ｂ）で示すように、光１１１は内部反射を繰り返して、例えばＤＢＲ光反射層６等に吸収されてしまい、取り出すことができない。

量子井戸型活性層４のＧａＡｓ基板７側に出た光１４及び１５は、従来であれば、図６（ｂ）の光１１２のようにＤＢＲ光反射層１０８に吸収されてしまうが、図３（ａ）、（ｂ）に示す、ＤＢＲ光反射層６のＧａＡｓ基板凹部８の効果で反射され取り出すことができるようになる。

本発明の発光ダイオードを作るための手順を以下に説明する。まず、ウェハ状でｎ型のＧａＡｓ基板７にフォトリソグラフィのプロセス技術を用いてＧａＡｓ基板凹部８を形成する。ＧａＡｓ基板凹部８の直径は１０μｍで深さは３μｍである。このプロセスは、フォトリソグラフィとウエットエッチングで行うことができるため、多数枚処理が可能であり安価に形成することができる。このＧａＡｓ基板凹部８を形成後、軽くエッチングして、ＧａＡｓ基板凹部８の角を滑らかにすると角部でのエピ成長異常を回避でき、発光効率が高く信頼性の高い発光ダイオードを作ることができる。ＧａＡｓ基板凹部８の配置は、図２に示す通りである。

ＧａＡｓ基板凹部８の構造は、斜面の部分が増えることが有効である。従って、ＧａＡｓ基板凹部８が形成されていない部分及びＧａＡｓ基板凹部８の底の平坦な部分ができるだけ少ない構造が良い。また、ＧａＡｓ基板凹部８を円形状にしたが、斜面の面積を増やすためには、円形では無く六角形など全面を斜面で覆うような構造にすると良い。

このＧａＡｓ基板凹部８を形成したＧａＡｓ基板７の上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属気相成長法）を用いて、ＤＢＲ光反射層６を２０ペア重ね、更にその上にＡｌＧａＩｎＰからなる発光層を形成する。発光層は、３層からなるダブルヘテロ構造で、基板側からｎ型のＡｌＧａＩｎＰの下部クラッド層５、その上に活性層となる量子井戸型活性層４、更にその上にｐ型のＡｌＧａＩｎＰの上部クラッド層３を形成する。この活性層としては、量子井戸構造でもよいし、また、バルク型の通常のダブルヘテロ構造でも良い。この上部クラッド層３の上にｐ型のＧａＰからなる電流分散層２を形成する。この電流分散層２の上に蒸着法とリソグラフィーを用いて直径１２０μｍの円形状をなす上部電極１を形成する。この上部電極１はこれまでの発光ダイオードに用いられた電極と同じである。またウェハの裏面側全面に下部電極９を形成する。

このウェハをダイサーにセットし、３００μｍ角のチップに切断し、その断面をエッチングにより処理して、破砕層除去と汚染を取り除いて発光ダイオードチップを製作した。この発光ダイオードチップを金属ステムにダイボンディングして実装し、更にワイヤボンディングにより配線して、特性評価用サンプルとしての発光ダイオードを製作した。

この発光ダイオードに電流を流して発光出力を測定した。発光波長は６３０ｎｍの赤色であり、電流２０ｍＡを通電しその発光出力を測定したところ、３．９ｍＷであった。上記したＧａＡｓ基板凹部８を形成しない従来の基板上に同様の材料で発光層を形成した場合は、２．１ｍＷで有り、これに比べると１．８６倍の発光出力を得られることが分かった。

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、発光ダイオードの光取り出し効率を大幅に改善し、取り出し効率が向上したことで、金属層を界面に挟んだ貼替構造に比べると取り出し効率は低くなるが、コスト的には大幅に安くなり、その結果、非常に安価で高効率な発光ダイオードを提供することができる。

更に、本発明の発光ダイオードは、従来に比べて１．８倍の高い変換効率を再現性よく達成することができる。このため、高輝度が必要とされるところ及び省エネが必要とされる用途に使用すると有効である。例えば、携帯電話等のようにバッテリーの消耗の少ないことが望ましい場合に効果を発揮する。

また、従来の貼合せで作成した発光ダイオードに比べると、貼合せ部分が無いことから、信頼性等の面でも非常に有利である。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に関する発光ダイオードの概略構成図である。ＧａＡｓ基板凹部１６は、異方性エッチングで形成されて凹部の斜面が一定角をなす凹部形状を有する。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、異方性エッチングを利用して形成したＧａＡｓ基板凹部１６の方が、斜めに入射してきた光を反射する効率が高いことから、より高い光取り出し効率が得られる。

なお、ＤＢＲ光反射層６は、垂直及び垂直に近い角度で入射した光を反射する構造であるが、それ以外に斜めに入射した光も反射するような膜厚構造のＤＢＲ光反射層６を組み合わせた複数種類の組み合わせの構造の方がより光取り出し効率が高くなる。

本発明の発光ダイオードにおいて、エピ成長前に基板に凹部又は凸部（又は両方）が形成されているということは重要である。従って、この凹部又は凸部の形状は、周期的に並んでいるのが最も効率的であるが、必ずしも周期的でなくとも良い。

また、本発明の発光ダイオードにおいて、従来の発光ダイオードの構造で採用されている、電流分散層の有無や、活性層がダブルヘテロ構造か量子井戸構造かなどという選択は適宜対応可能である。

更に、半導体基板に凹部又は凸部（又は両方）を形成するとその高さにより、その直上部分にある表面電極に凹部又は凸部が形成され、ワイヤボンディング時に不良等が発生する可能性もある。このため、上部電極の部分の下部のみは、半導体基板表面に凹部又は凸部を形成しないようにする構造が有効であり、電極形成のフォトリソグラフィ工程時に平坦部分に合わせて中央電極を形成すれば良いことになる。

なお、本発明は、上記した各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態に関する発光ダイオードの概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に関するＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ基板凹部の配置図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態の発光ダイオードの量子井戸型活性層を出た光がどのように反射を繰り返しながら外部に取り出せるのかを表した図である。 本発明の第２の実施の形態に関する発光ダイオードの概略構成図である。 一般的な発光ダイオードの概略構成図である。 （ａ）は、張替型高効率発光ダイオードの概略図である。（ｂ）は、一般的な発光ダイオードの活性層を出た光がどのように反射を繰り返しながら外部に取り出せるのかを表した図である。 金属光反射層を持つ高効率発光ダイオードの概略図である。 金属光反射層を持つ高効率発光ダイオードの概略図である。

符号の説明

１・・・上部電極、２・・・電流分散層、３・・・上部クラッド層、４・・・量子井戸型活性層、５・・・下部クラッド層、６・・・ＤＢＲ光反射層、７・・・ＧａＡｓ基板、８・・・ＧａＡｓ基板凹部、９・・・下部電極、１０・・・光、１１・・・光、１２・・・光、１３・・・光、１４・・・ＧａＡｓ基板凹部、１０１・・・上部電極、１０２・・・電流分散層、１０３・・・上部クラッド層、１０４・・・活性層、１０５・・・下部クラッド層、１０６・・・基板、１０７・・・下部電極、１０８・・・ＤＢＲ光反射層、１０９ａ・・・ｎコンタクト層、１０９ｂ・・・ｐコンタクト層、１１０・・・光、１１１・・・光、１１２・・・光、１１３・・・張替基板、１１４・・・バッファ層、１１５・・・金属光反射層、１１６ａ・・・接合用金属、１１６ｂ・・・接合用金属、１１６・・・金属光反射層、ｄ・・・ＧａＡｓ基板凹部８の直径

Claims (7)

1. 表面に多数の凹部または凸部を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の表面一帯に半導体多層薄膜として形成されたＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）光反射層と、
   前記ＤＢＲ光反射層の表面一帯に形成され、活性層を第１の導電型の上部クラッド層と第２の導電型の下部クラッド層で挟んだ構造を有する発光部と、
   前記半導体基板の裏側と前記発光部の表面に形成された電極と、を有することを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記上部クラッド層の表面一帯に電流分散層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記半導体基板の前記凹部または凸部の形状に応じてエピ表面に前記凹部または凸部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 前記凹部または凸部は、上部電極の直下には形成されないことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
5. 前記活性層は、量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
6. 前記ＤＢＲ光反射層は、２種類以上のＤＢＲ光反射層を積層した構造であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
7. 前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮのいずれかを用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。