JP2008066727A - 改良された窒化物発光素子、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】背面発光型の窒化物ベース発光素子の光取り出し効率を向上させる。
【解決手段】窒化物ベースの発光素子１００は、発光素子１００の最上部エピタキシャル層１１４の上に配置された導電層１１２であって、前記導電層１１２が複数の孔を有する接触域を画定する、導電層１１２と、前記接触域と位置合わせされた反射器（リフレクタ）１１６と、を備える。また、前記複数の孔が前記接触域にメッシュパターンを画定する。
【選択図】図３
【解決手段】窒化物ベースの発光素子１００は、発光素子１００の最上部エピタキシャル層１１４の上に配置された導電層１１２であって、前記導電層１１２が複数の孔を有する接触域を画定する、導電層１１２と、前記接触域と位置合わせされた反射器（リフレクタ）１１６と、を備える。また、前記複数の孔が前記接触域にメッシュパターンを画定する。
【選択図】図３
Description
本発明は、窒化物発光素子に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は様々な形態をもち、ディスプレイ用バックライト、交通信号、道路標識、表示ランプ、一般的な照明、接着剤の紫外線硬化、スペクトロスコピー、浄水など、多岐にわたる用途に広く利用されてきている。近年、ＬＥＤ輝度の改善につながる著しい技術的な進歩があった。しかし、一般的にＬＥＤ構造から効率的に光を取り出すことは高効率ＬＥＤ設計上の難題であった。
窒化物ベースの紫外線ＬＥＤの場合、通常は発光活性層上方の１つ以上の層が吸収性を有することから、通常は光の取り出しはウエハ背面から行う。また、窒化物システムにおけるアルミニウム含有量の大きい層は極めて高抵抗であることから、一般にウエハの電流注入領域の上方に位置する最上部電流拡散層が利用される。窒化物ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）は通常、電流注入領域を完全に被覆する最上層を備える。この最上層は不透明金属や透明インジウムスズ酸化物フィルムとすることができる。最上層の設置目的は電流注入領域全体に電流を拡散させることにある。最上層の反射性を高め、上方向に向かう光が背面または底部出力に向けて反射されるようにすることも望ましい。
米国特許第６,２３３,２６５号
米国特許第６,６１８,４１３号
しかし、高反射性の最上層を得ることは困難である。良好なｐ型接点（コンタクト）を得るには素子の電流注入領域全体を被覆する上述の電流拡散金属接点層をｐ型層と合金化することが必要である。合金接点とｐ型層との間の粗いインタフェースにより、大量の光が拡散され吸収される。
図１は、金属接点１４が形成された最上層であるｐ接点層１２と、ｎ接点パッド１８を設けたｎ接点層１６とを有する一般的な窒化物ベースＬＥＤ１０を上面図で示す。ｐ接点層１２は、通常Ｎｉ／Ａｕ金属合金で形成される金属接点１４で被覆されている。この金属接点１４はまずＮｉおよびＡｕを別々の金属層として堆積（デポジット）することにより形成される。次いで、層にアニール処理を施し、これらの金属層と下側にあるＧａＮエピタキシャル接点層（図１には図示せず）とを合金化する。金属接点１４は電流注入領域全体に電流を配分する電流拡散層として機能する。金属接点と下側にあるエピタキシャル層との間の合金界面から素子に電気注入を行うことができる。しかし、上述のように合金化処理を行うと、光が拡散する粗い界面が作製され、最上側の反射率の低下を招く。
図２は図１の素子１９を断面図で示す。エピタキシャル層２０内の活性領域（例えばＩｎＡｌＧａＮヘテロ構造多重量子井戸層）で生じた光は最上部金属接点１４で反射され、ウエハ背面（例えばサファイア基板２２およびＡＩＮテンプレート２４）を通じて素子構造から放射される。紫外線（ＵＶ）ＬＥＤでは、最上部接点層１２が吸収性を有するため、上向きの光の一部は吸収され失われる。高バンドギャップ材料は紫外線光に対し透明であるが、高アルミニウム含有ｐ型ＡｌＧａＮフィルムの抵抗性が極めて高いため、接点層には適さない。
ＧａＡｓ面発光レーザ素子など他の技術に関連して環状リングを使用することは珍しくない。しかし、上記窒化物ベースの発光ダイオードでは、環状リングを最上部金属接点として利用すると、高抵抗上部ｐ型層がリングの「ホール」下部において電流が素子中央領域に拡散されることを阻止する。電流の大部分は、金属が下側の層と合金化される環状リング部の真下の領域に流入する。このように電流分布が不十分であるため、光の大部分がこの領域からのみ放射される。当然ながら、金属位置の下の領域からのみでなく、ｐ接点域全体から光が放射されることが望ましい。
本実施形態の一態様において、窒化物ベースの発光素子は、発光素子の最上エピタキシャル層上に配置された導電層であって、該導電層が複数の孔を有する接触域を画定する、導電層と、該接触域と位置合わせされた反射器と、を備える。
本実施形態の別の態様では、複数の孔は接触域においてメッシュパターンを定義する。
本実施形態のさらに別の態様では、発光素子は、基層と、基層上に配置されるテンプレート層と、テンプレート層上に配置されるとともに発光活性層と接点層とを含む複数の窒化物ベースのエピタキシャル層と、接点層上に設けられる導電層であって、光を発生させるために電流を伝導し活性層を賦活させるべく動作でき、少なくとも１つの孔を有する接触域を内部に画定する導電層と、接触域と位置合わせされた反射器であって、発生された光を接触域、エピタキシャル層、テンプレート層および基層を通じて反射させるべく動作できる反射器と、を備える。
本実施形態のさらに別の態様では、本発明の方法は、導電層が複数の接触域を内部に画定するように導電層をエピタキシャル層にデポジットさせることと、金属層上に接触域の複数の孔と位置合わせされた反射器を形成することを含む。
本実施形態は、ＬＥＤなどの発光素子から光を取り出す効率を高めるための高反射性の最上層を有する素子構造を開示する。本実施形態によれば、最上部接点層が高反射性を有していながら電流拡散性能を著しく低下させないので、背面発光窒化物ＬＥＤの光取り出し効率は大幅に向上できる。本開示はこのような二重機能性を有する素子構造を提供する。
本実施形態の一形態において、ＬＥＤ構造は最上部金属層または導電層の一部としてメッシュまたはグリッドパターンを利用する。メッシュまたはグリッドパターンにより最上部接触域に電流が分配される一方、高反射性ミラーを形成可能な開放空間がグリッド間に提供される。最上層の高反射率は開放領域の、合金メッシュ接触域に対する充填比を高める（例えば、最適化する）ことで得られる。合金メッシュまたはグリッドパターンにより、最上部接触域全体にわたり電流を分配できる。
図３を参照すると、本実施形態の一形態が示されている。同図に示されるように、発光ダイオード１００は基層１０２とテンプレート層１０４とを含む。基層１０２は、サファイアなど各種材料で作製できる。同様に、テンプレート層１０４は窒化アルミニウムなど各種材料で作製できる。
複数のエピタキシャル層１０６は発光活性領域１０７、ｎ接点層１０８およびｐ接点層１１４を含む。ＬＥＤエピタキシャル構造１０６の詳細は当該技術で周知であり（例えば、米国特許第６,２３３,２６５号、同第６,６１８,４１３号参照。両特許を参照によって本願明細書に援用する）、説明は割愛する。一実施形態において、導電性（または金属）接点または層１１２はニッケル（Ｎｉ）層、次いで金（Ａｕ）層を含む。次いで、層積層体を加熱し、下にあるＧａＮｐ接点層１１４と合金化される。ｎ接点層１０８はアルミニウム（Ａｌ）、次いで金（Ａｕ）を含む積層体とすることができる。ｐ接点と同様に、ｎ接点はｎ接点層１０８を加熱し、下側のｎ接点層と合金化することで作製される。
素子のパッケージ化を容易にするため、金属層１０８上にｎ接点パッド１１０が形成されていることは当然である。図示されるように、ｐ接点金属層または導電層１１２はメッシュパターンまたはグリッドを画定する少なくとも１つの孔（例えば複数の孔）を有する。さらに、素子はメッシュパターンと位置合わせされた反射器（リフレクタ）１１６を備える。
図３の素子を形成するに当たり、導電層１１２が内部に複数の孔を有する接触域を画定するように、導電層１１２がエピタキシャル層上にデポジットされる。導電層は、例えば金属または導電性酸化物で作製できる。次いで、反射器が接触域の複数の孔と位置合わせされるように金属導電層上に作製される。反射器１１６は各種の形態をとることができるが、一つの形態においては、銀、アルミニウムまたは金などの単純な非合金金属とすることができる。反射器１１６は、さらに反射率を高めるため、ＳｉＯx、ＳｉＮx、ＩＴＯなどの誘電体、およびキャップなどの金属構成を含んでもよい。あるいは、誘電体対の交互層からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を利用してもよい。当然ながら、層および反射器１１６の作製に用いられる技術は当業者には周知である。
反射率は反射器材料の肉厚を適切に選択することで向上され、例えば最適化される。３２５ｎｍの紫外線ＬＥＤでは、例えば、各種反射器材料および肉厚が選択できる。一実施形態では、肉厚の選択肢は、厚さ２０ｎｍの吸収性最上部ｐ-ＧａＮ接点１１４の存在の関数として変化する。当然ながら多くの人はこのＧａＮ最上層が十分な電気接触のために不可欠であると考えている。
他の各種材料を用いる別の反射器設計も利用できる。例えば、反射器を設けない場合、上向きの光の約１１％のみが反射される。Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの非合金金属からなる単純な反射器の反射率は著しく向上する。このような金属製反射器は容易に蒸着でき、導電性を有するというさらなる利点を有するため、電流分布が改善される。例えば、厚さ３００ｎｍのＡｕ層は反射器領域における反射率を約５６％まで上昇させる。
単純な金属製反射器の性能はＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3などの誘電体を反射器１１６の最上部金属とｐ接点１１４のＧａＮ表面との間に挿入することで改善できる。誘電体における要素の割合は公称値である。実際の構成は材料のデポジット方法や条件により公称値から変動することがある。このため、例えばＳｉＯ2がＳｉＯxになっていたり、Ｓｉ3Ｎ4がＳｉxＮyになっていることもある。例えば、０.４ラムダ（λ）の厚さのＳｉＯ2（λ＝３２５ｎｍのＬＥＤでは厚さ５４.８ｎｍ）の上に厚さ３００ｎｍのＡｕを設けることで反射率が約９０％まで高まる。好適な誘電体材料とその対応する最適層厚は材料や設計ごとに異なるため、選択された各素子構造によって決定されるべきである。電流拡散性を高めるため、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺＮＯ）などの透明導電性フィルムを誘電体の代わりに用いてもよい。
ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3などの交互材料対からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲｓ）も利用できる。ここでも、誘電体における要素の割合は公称値である。実際の構成は材料のデポジット方法や条件により公称値から変動することがある。５対の四分の一波長厚さのＳｉＯ2／ＺｒＯ2ＤＢＲは、設計波長である３２５ｎｍにおいて約５５％の反射率を生ずる。ＧａＮ接点層１１４がＤＢＲの反射率スペクトルを変更し、これにより設計波長よりもわずかに長い波長において最大反射率が発生する。各対の各層の肉厚が０.２８ラムダまで高まると、反射率スペクトルが変更され、最大反射率である６５％の反射率は設計波長である３２５ｎｍにおいて生ずる。別のタイプの鏡も設計できる。例えば、誘電体ＤＢＲ上に金属キャップを設けてもよく、光移相誘電体層をＧａＮ接点層とＤＢＲとの間に配置してもよい。
なお、反射器の反射率は十分に高くなるよう選択され、本発明の発光素子は面発光レーザの形態をとってもよい。
メッシュ用矩形グリッドパターンを備えた構造が図４に示されている。図示されるように、素子１００はｐ接点域に対応するメッシュまたはグリッド領域１１５を有する導電層１１２を含む。得られる電流分布は比較的一定である。なお、ここでは反射器１１６は図示していない。ｎ接点パッド１１０も図示していない。形状によっては、ｎ接点パッドはｐ接点パッドから離間配置されてもよい。
図５は素子１４０上で実施される放射対称グリッド１５０を備える別のメッシュ設計を示す。図４のように、グリッドパターンはｎ接点パッドと関連させて用いてもよい。この代替実施形態によっても同様に効果的な電流分布が得られる。当然ながら、適切な電流分布が得られるのであれば、メッシュまたはグリッド設計の形状は変更してよい。
本実施形態によれば、光取り出し効率を高めた底部発光窒化物ＬＥＤが提供される。向上された光出力は上方向に向かう光を底面出力方向に再度方向付ける反射器により提供される。一形態において、メッシュ接触域は、素子の最上面全体を占有することなく、キャリア注入領域全体に電流を拡散させる。これにより、反射器をグリッド間領域に配置でき、上記のように機能させることができる。
なお、上記開示の変更やその他の特徴および機能、ならびに代替実施形態を適宜組み合わせて、他の様々なシステムとしたり、用途に供することができる。また、現在では予測できない代替案や修正、変更や改善が将来にわたり当業者により行われるであろうが、これらは請求の範囲に含まれるものとする。
Claims (4)
- 発光素子の最上部エピタキシャル層にデポジットされた導電層であって、前記導電層は複数の孔を有する接触域を内部に画定する導電層と、
前記接触域と位置合わせされれた反射器と、
を含む窒化物ベースの発光素子。 - 前記複数の孔が前記接触域にメッシュパターンを画定する請求項１に記載の発光素子。
- 基層と、
前記基層上に配置されるテンプレート層と、
前記テンプレート層上に配置されるとともに、発光活性層と接点層とを含む複数の窒化物ベースのエピタキシャル層と、
前記接点層上に設けられる導電層であって、前記導電層は前記光を発生すべく電流を伝達し、前記活性層を活性化し、且つ前記導電層は少なくとも１つの孔を有する接触域を内部に画定する導電層と、
前記接触域と位置合わせされる反射器であって、前記反射器は前記発生された光を前記接触域、前記エピタキシャル層、前記テンプレート層および前記基層を通じて反射させるべく操作可能な反射器と、
を有する発光素子。 - 窒化物ベースのエピタキシャル層を含む多数の層を有する窒化物ベースの発光ダイオードを製造する方法であって、
前記導電層が内部に複数の孔を有する接触域を画定するように、導電層を前記エピタキシャル層にデポジットさせることと、
前記導電層上に、前記接触域の複数の孔と位置合わせされる反射器を作製することと、
を含む方法。
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