JP2009176805A - 発光ダイオード基板粗面処理の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は発光ダイオード基板粗面処理の方法を新規に提案するものである。
【解決手段】 本発明は研磨技術を利用して号数が300号〜6000号の間にある研磨用サンドペーパーで基板表面を研磨して、基板の表面に不規則な複数の凹部と凸部構造を形成することで、前記基板表面に半導体発光構造を形成し、前記凹部と凸部構造の発光ダイオード素子内部の光線に対する散射と回折効果によって、半導体層と基板の界面の光が横向きに伝播する状況を減らして、全反射する確率を減らし、発光ダイオードの光抽出効率を高める。
【選択図】 図２

Description

本発明は発光ダイオード基板粗面処理の方法に関し、特に基板の表面に不規則な凹凸構造を形成する方法に関する。

固体照明の実現のために、発光ダイオードの発光効率の開発並びに改善が当面の急務となっている。発光ダイオードの発光効率を改善する方法は二つの部分に分けられる。一つは発光ダイオードの内部量子効率を高める方法であり、もう一つは光抽出効率を高める方法である。

内部量子効率面では、エピタキシの素材品質の改善で内部量子効率が最もダイレクトに且つはっきりと高まり、中でもＥＬＯＧ (Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒ Ｇｒｏｗｔｈ)技術はエピタキシの素材品質を改善することができ、主に二酸化ケイ素を縞模様図案化した基板上に窒化ガリウム層を横方向成長（ＥＬＯＧ）させることにより、貫通転位（Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）という欠陥を減らして、さらには内部量子効率を高める。

また他の技術はＬＥＰＳ法(Ｌａｔｅｒａｌ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ)で、前記技術は乾式又は湿式エッチング方法で基板上の図案様式をエッチングしてＥＬＯＧと同様の効果を達成させるが、その長所は工程が容易であるだけでなく、エピタキシャル成長にかかる時間を短縮させることができる。この方法でもって窒化ガリウム層の貫通転位を効率的に低減させることができ、発光ダイオードの発光効率を効率的に高めることができる。

光抽出効率面では、一般の半導体素材とパッケージ素材との屈折率の差が非常に大きいことが全反射角を小さくする。従って、発光ダイオードから生じる光が空気との界面に達すると、臨界角より大きい光は全反射を起こして発光ダイオードダイス内部に戻っていく。光子が境界面で半導体から離れる確立は小さく、光子が殆ど吸収されるまで内部で全反射させるしかなく、光を熱に転換させる方式では発光効果が芳しくなくなる。

従って、基板の幾何形状を改変することが発光効率を効率的に高める方法であり、即ち光抽出効率である。米国特許ＵＳ６,８７０,１９３によれば、前記案件で開示された技術は基板の半導体発光素子を形成する凹部及び/又は凸部構造であって、平坦な基板の状態に比べて、こうした構造の光は半導体層の横方向に伝播すると、光が凹部又は凸部に散射や回折効果が生じることで、外部量子効率を大幅に高めることができる。このほか、基板の凹部及び/又は凸部構造では、ＥＬＯＧ技術を通じて窒化ガリウム層の貫通転位を減らすと同時に、発光ダイオードの内部量子効率を高めることができる。

しかし、前記技術で基板に凹部又は凸部の幾何形状を調製する方法は、まず基板上に不動態化層構造を形成し、そして写真製版方式で図案に凹部又は凸部の幾何形状の外形を定義して、乾式エッチング又は湿式エッチング方式で基板に凹部又は凸部構造をエッチングする。こうした製造工程は煩雑で安定性に欠け、しかも製造コストが大幅にアップし、発光ダイオードのビジネス利用にそぐわない。

そこで、上記の欠点を解決するために、本発明では簡便で安定した製造工程による、低コストで高生産効率を前提に、基板表面に不規則な凹凸面を形成して、発光ダイオードの外部量子効率を高めることができる発光ダイオード基板粗面処理の方法を提供する。

本発明は発光ダイオード基板粗面処理の方法であって、その方法はサファイア(Ａｌ₂Ｏ₃)、シリコンカーバイド(Ｓｉｃ)、シリコン(Ｓｉ)、ガリウム砒素(ＧａＡｓ)、窒化アルミニウム(ＡＩＮ)、窒化ガリウム(Ｇａｎ)基板のうちの一つである基板をまず提供し、さらに研磨技術を利用して号数が３００号〜６０００号の間にある研磨用サンドペーパーで前記基板表面を研磨して、前記基板の表面に不規則な複数の凹部と凸部構造を形成し、前記凹部と凸部構造の高度差は０.０５μm〜１５μmである。

そして前記基板表面をクリーンにすると、前記基板表面に半導体発光構造を形成することができ、ＥＬＯＧ技術又はLEPS法で半導体発光構造のエピタキシ層を成長させて、エピタキシ層の前記凹部を平らにして如何なる孔をも形成しない。前記凹部と凸部構造の発光ダイオード素子内部の光の散射と回折効果で、半導体層と基板の界面の光が横向きに伝播する状況を軽減して全反射する確率を下げることによって、発光ダイオードの光抽出効率を高める。

本発明の長所は斬新な基板粗面処理の方法を利用して、簡便で安定した研磨技術により、低コストで高生産効率の下に、基板表面に不規則な凹凸面を形成することで、凹凸面の発光ダイオード素子内部の光に対する散射と回折効果によって、半導体層と基板の界面の光が横向きに伝播する状況を軽減して、全反射する確率を下げ、発光ダイオードの光抽出効率を高めると、工業用量産への応用に適うことにある。

ここで本発明に係る詳細内容及び技術的説明は実施例でさらに説明するが、前記実施例は例示説明に過ぎず、本発明の実施制限と解釈すべきではない旨了解されたい。

図１乃至図４で示すように、本発明は発光ダイオード基板粗面処理の方法であり、実施例の発光ダイオード素子の製造方法は、サファイア(Ａｌ₂Ｏ₃)、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)、シリコン(Ｓｉ)、ガリウム砒素(ＧａＡｓ)、窒化アルミニウム(ＡＩＮ)、窒化ガリウム(ＧａＮ)基板のうちの一つ（図１参照）である基板１００をまず提供する。さらに研磨技術を利用して号数が３００号〜６０００号の間にある研磨用サンドペーパーで前記基板１００を研磨して、前記基板１００の表面に不規則な複数の凹部１１０と凸部１２０構造（図２参照）を形成するが、前記凹部１１０と凸部１２０の高度差は０.０５μm〜１５μmで、研磨用サンドペーパーの粗さと同様である。

その後、前記基板１００の表面に発光ダイオードの半導体発光構造２００を形成し、前記半導体発光構造２００では少なくとも一つのｎ型半導体層２１０、活性層２２０並びに少なくとも一つのｐ型半導体層２３０を次々にエピタキシ結合させる（図３参照）。前記活性層２２０は発光エリアとして前記ｎ型半導体層２１０と前記ｐ型半導体層２３０の間に形成され、また前記ｐ型半導体層２３０とｐ型オーム接触電極２３１は電気接続し、ｎ型半導体層２１０は接触ウィンドウ２４０とｎ型オーム接触電極２１１を通じて電気接続して、順方向バイアスを提供する（図４参照）。

実施の際には、ＥＬＯＧ技術やＬＥＰＳ法を利用して半導体層のエピタキシ温度や圧力を変化させることによって、横方向成長速度が縦方向成長速度より高速になるようにして、前記半導体発光構造２００において厚みの厚いｎ型半導体層２１０で前記凹部１１０を平らにして、前記基板１００表面の凹部１１０と凸部１２０の落差をなだらかにし、前記基板１００表面の前記凹部１１０と凸部１２０構造には如何なる孔をも形成せずに、高品質で低貫通転位のエピタキシ層を得ることができる。例えば、窒化ガリウム成長（約１５μm）には前記ｎ型半導体層２１０材料として前記凹部１１０を平らにする。

前記凹部１１０と凸部１２０の構造が前記活性層２２０に及ぼす影響を抑えることで、前記活性層２２０（発光エリア）の結晶を良好な状態に保ち、貫通転位となる要因を減らし、内部量子効率を高めることができる。しかも、前記凹部１１０と凸部１２０の構造により、前記半導体発光構造２００内部の前記活性層２２０が発する光が前記凹部１１０と凸部１２０の構造によって散射又は回折して、ｎ型半導体層２１０と基板１００の界面における光が横方向に伝播する状態を軽減して全反射する確率を下げ、基板１００の上下方向に照射されるビームを増やすことで、発光ダイオードの光抽出効率を高めて、総発光量を増加させることができる。

以上の記述は本発明の好ましい実施例に過ぎず、これをもって本発明の実施範囲を限定するものではない。即ち、本発明が請求する特許範囲において為された均一的変更若しくは修正についても、全て本発明の特許請求の範囲内とする。

本発明の実施例の基板概略図である。 本発明の実施例の基板表面を研磨した後の概略図である。 本発明の実施例の基板表面エピタキシ層の概略図である。 本発明の実施例の発光ダイオード構造の概略図である。

符号の説明

１００ 基板
１１０ 凹部
１２０ 凸部
２００ 半導体発光構造
２１０ ｎ型半導体層
２１１ ｎ型オーム接触電極
２２０ 活性層
２３０ ｐ型半導体層
２３１ ｐ型オーム接触電極
２４０ 接触ウィンドウ

Claims (4)

1. 基板を提供し、研磨技術を応用して研磨用サンドペーパーで前記基板を研磨することで、前記基板の表面に不規則な複数の凹部と凸部構造を形成することを特徴とする発光ダイオード基板粗面処理の方法。
2. 前記基板がサファイア、シリコンカーバイド、シリコン、ガリウム砒素、窒化アルミニウム、窒化ガリウム基板のうちの一つであることを特徴とする請求項1に記載する発光ダイオード基板粗面処理の方法。
3. 前記研磨用サンドペーパーの号数が300号〜6000号の間であることを特徴とする請求項1に記載する発光ダイオード基板粗面処理の方法。
4. 前記凹部と凸部の構造の高度差が0.05μm〜15μmであることを特徴とする請求項1に記載する発光ダイオード基板粗面処理の方法。

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