JP2011082587A - 表面粗化による高効率窒化ガリウムベースの発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
窒化ガリウム(GaN)ベースの発光ダイオード(LED)で、光はLEDの窒素面(N面)(42)を介して取り出される。また、N面(42)の表面は1つ以上の六角形状円錐に粗くされる。表面を粗くすると、LED内部で繰り返し起こる光の反射が減り、そのため、より多くの光をLEDから取り出せる。N面(42)の表面は、異方性エッチングによって粗くされる。この異方性エッチングとしては、乾式エッチング、PECエッチングが挙げられ得る。
【選択図】 図3
Description
(注:本出願は、本明細書全体を通して一つ以上の参照番号で示される、多数の様々な文献を参照する。これら様々な文献は、参照番号順に、リストとして「参考文献」の項目で以下に示される。これらの文献のそれぞれは、本明細書で、参考として援用される)。
窒化ガリウム(GaN)ベースの大きなバンドギャップの半導体発光ダイオード(LED)は、約10年前から利用可能になってきた。このLED開発の進歩によって、LED技術に大きな変化がもたらされ、フルカラーLEDディスプレイ、LED信号機、白色LEDなどが実現されてきた。
LEDの効率を改善するためには、主として二つのアプローチがある。第一のアプローチは、内部量子効率(ηi)を上げることであり、これは結晶品質やエピタキシャル層の構造によって決定される。一方、第二のアプローチは、光取り出し効率(η取り出し)を上げることである。
その一方、光取り出し効率を改善する余地は、十分にある。内部光の損失を抑えるために、数多くの課題が挙げられている。例えば、高反射鏡、粗い表面などの低反射表面、非常に熱散乱しやすい構造などである。
図1は、従来型LED構造の模式的な断面図である。この構造はp型パッド電極10、半透明電極12、p型層14、活性領域16、n型層18、n型電極20および基板22を含む。GaNは通常、例えば、サファイアのような絶縁体基板に成長されるため、p型電極10およびn型電極20は同一平面上に製造される必要があり、その結果得られる電極10と20のデバイス構造は、電流の流れを長手方向に拘束してきた。p型GaNは抵抗率が高いため、薄い金属膜が、p型GaNに電流を広げるための半透明電極12として用いられた。半透明電極12の透明性は100%であるべきことが望ましい。しかしながら、GaNベースのLEDで使われている薄い金属電極におけるその値は、せいぜい70%である。さらに、パッド電極10は、ワイヤボンディング用に形成されなくてはならず、そのワイヤボンディングはLED内部から発生される光を暗くする。その結果、光取り出し効率は、極めて低くなることが予想される。
光取り出し効率を上げる別のアプローチは、LEDの表面を粗くすることである(特許文献1)。このアプローチは、内部の光反射を弱め、光を上方に散乱させる。しかしながら、表面の粗いLEDは、材料がリン化ガリウム(GaP)系との関連でのみ述べられてきた。なぜなら、GaNは非常に耐久性ある材料で、通常のウェットエッチング方法では大した効果が出ないからである。このように、光散乱のために半導体表面を粗くしようというアイデアは、1970年代に最初に考えられたにも関わらず、この種のLED構造で製造するのは、困難でコスト高であると信じられてきた。
N面の表面は、異方性エッチングにより粗くされる。異方性エッチングは、ドライエッチング、または、フォトエンハンスト化学(PEC)エッチングを含み得る。
図面について述べると、同じ参照番号は、全体を通じて、対応するものを示す。
概要
本発明は、GaNベースのLEDの表面を粗くすることによって、光取り出し効率を向上させる手段を提供する。特に、N面c平面GaN表面に異方性PECエッチング方法を適用し、その結果、円錐形状の表面形態を製造する。このように表面を粗くすると、光の反射がLED内で繰り返し起こり、こうしてLEDから、より多くの光を取り出すことができる。さらに、本発明の方法は、シンプルで、繰り返し可能であり、材料に損傷を与えない。これは、表面を粗くする他の方法においては、材料の品質と妥協し得るのとは対照的である。これら全てのことから、本発明はLED製造をより適切なものとする。
LED構造
図3は、表面を粗くしたLEDの模式図である。このLEDは、n型電極40、n型層42、活性領域44、p型層46、および、p型電極48を含む。p型電極48は、n型電極54を含むシリコン(Si)サブマウント52に、ハンダ層50を介して、フリップチップボンディングされている。n型層42、活性領域44、および、p型層46は、(B、Al、Ga、In)N合金から成る。ドライエッチングまたはPECエッチング方法が、n型層42の表面を粗くするために用いられる。望ましい表面を得るためには、ドライエッチングではプラズマ化学やプラズマパワーなどの条件を、また、PECエッチングでは電解質やランプパワーなどの条件を適切に設定することが必要である。このGaNベースのLEDは、c軸に沿って成長されるべきで、このn型GaN表面はN面であるべきことは重要である。なぜなら、異方性エッチングは、Ga面GaNよりもN面GaNで、より容易に観察され得るからである。
処理ステップ
図4は、本発明の好ましい実施形態で用いられる処理ステップを示す流れ図である。
ブロック58は、MOCVD後、p型活性化のために、サンプルをアニールするステップを示す。
ブロック60は、高い反射率のp−GaNコンタクトを作成するために、サンプル上にp型メタル化処理を実行するステップを示す。メタル化は、銀(Ag)またはアルミ(Al)を含むが、これらには限定されない。
ブロック64は、サンプルを上下逆にし、それをAuでコーティングしたSi基板/サブマウントに、280℃を超える温度で、ボンディングするステップを示す。ここで、Au/Sn合金が形成され、この合金がSi基板へのサンプル接着に寄与する。
ブロック70は、塩酸(HCl)溶液を用いて、サンプルのGaNが剥がされた表面に、残されたGa小滴(droplet)を除去するステップを示す。
ブロック72は、SiドープしたN面GaNがサンプルに露出されるまで、移されたGaNを薄くするステップを示す。
ブロック76は、サンプルを水酸化カリウム(KOH)の電解質溶液に浸し、キセノン/水銀(Xe/Hg)ランプを用いてN面GaN表面を照射することで、PECエッチングを行うステップを示す。このようにして、上部表面は粗くされる。PECエッチングの詳細は、非特許文献14に詳細に記載されている。
図5(a)〜(f)は、表面を粗くしたLEDの製造ステップをさらに示す。ここで、LED構造は、p型電極80、GaNベースのLED膜82、サファイア基板84、ハンダ金属86、サブマウント(キャリア)88、および、n型電極90を含む。特定的には、図5(a)は、p型電極80の堆積後の結果を示す。図5(b)は、LEDがホストサブマウント88条にボンディングされた後の結果を示す。図5(c)は、サファイア基板84がLLOで除去された後の結果を示す。図5(d)は、n型電極90が堆積後の結果を示す。図5(e)は、GaN表面82を粗くした後の結果を示す。図5(f)は、デバイスをアイソレーションさせた後の結果を示す。
可能な変更
基本的な構造は上述したが、数多くの変更やバリエーションも可能である。
図6(a)において、LEDはn型電極92の下に位置合わせした電流ブロック層102を有する。この電流ブロック層102は、電流がn型電極92の下に集中しないようにする。これは、電極92下での光放射の吸収を避け得、光取り出し効率を増やし得るためである。SiO2 のような絶縁体がp型GaN層98上に置かれるのは、適切である。なぜなら、p型GaN層98は抵抗があるため、電流波及がほとんど起こらないからである。
現在のところ、GaNデバイスは、SiCやSi基板に直接成長させることができる。GaNベースのLEDが、SiCまたはSiに成長されるなら、従来のドライエッチングまたはウェットエッチングで基板を除去し得る。バルクのGaN基板を使うと、LLOプロセスは省略され得る。
実験結果
発明者によってなされた実験において、Ga面エピタキシャル層は、MOCVDにより、c平面サファイア基板上に成長させた。構造は、4μm厚のアンドープおよびSiドープのGaN層、5ピリオドのGaN/InGaNの多重量子井戸(MQW)、20nm厚のMgドープAl0.2Ga0.8N層、および、0.3μm厚のMgドープGaNであった。MOCVD後、サンプルをp型活性化のためにアニールし、ついで、p型メタル化処理を実行した。Agベースの電極を、高反射率のp型GaNコンタクトとして採用した。厚いAuをサンプル上に堆積し、次いで、熱エバポレータ内で、Sn蒸着した。ウェハーを上下逆にし、AuコーティングされたSiサブマウントに、280℃でボンディングした。その結果、AuとSnの合金が得られ、この合金がウェハーにサブマウントがしっかりと接着するのに寄与した。KrFレーザ(248nm)をLLOプロセスに用いた。ここで、レーザを、透明なサファイア基板を介して、照射した。その結果、GaNとサファイアの境界で、GaNの局所的分解が生じた。サンプル上にKrFをラスタした後、サファイア基板はボンディングを外された。移されたGaN表面に残留したGa小滴を、HCl溶液で除去した。次いで、移されたGaNを、SiドープのGaNが露出されるまで、薄くした。nコンタクトは、露出したN面n型GaNに形成され、各デバイスを、反応性イオンエッチング(RIE)によって、その隣接デバイスから分離した。最後に、表面の上部を粗くするため、PECエッチングを用いた。KOH溶液を電解質として、XeHgランプを光源として、用いた。LEDの出力を、LEDチップの上方7mmの高さにセットされたSi検出器で測定した。
2sin-1(nair/ns)
以下の角度を有する多数の六角形状の錐体からなることが分かった。ここで、nairは空気の屈折率で、nsはGaNの屈折率である。同様に、エポキシの場合、粗くした表面は、
2sin-1(nenc/ns)
以下の角度を有する多数の六角形状の錐体からなることが分かった。ここで、nencはエポキシの屈折率で、nsはGaNの屈折率である。
PECエッチング前に表面が「鏡面状」であれば、エッチング時間が長くなるにつれ、退色する。反射率の高い金属が、GaN膜の他の面に堆積されると、表面は白色が現れるか、さもなければ、より暗くなる。これは、空気/GaN境界で拘束された光反射によるものであると、考えられる。GaNの裏側に反射率の高い金属があれば、光りはGaNの中を通過し、再び外に出て、粗くなった表面で散乱する。
結論
これは、本発明の好ましい実施形態の記述を結論付けるものである。以下は、本発明を実行する幾つかの代替的な実施形態を述べる。
さらに、サファイアまたは炭化ケイ素以外の基板も用いられ得る。
また、異なるLED構造も作成され得る。例えば、共振空洞LED(RCLED)または微小空洞LED(MCLED)も同様に作成され得る。
本発明の1つ以上の実施形態に関する以上の記述は、例示と説明の目的のために紹介してきた。網羅的に記載することも、本発明をここに開示した細かい形式に限定することも意図していない。上述の教示を考慮すると、多数の変更やバリエーションも可能である。本発明の範囲は、詳細な説明に限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲によって限定されることを意図している。
Claims (33)
- 少なくとも一つのn型層、発光層、およびp型層からなる(Al,Ga,In)N発光ダイオード(LED)であって、
該発光層からの光が、該発光ダイオードの窒素面(N面)表面を介して取り出され、該発光ダイオードの該N面表面は、該発光ダイオードのN面表面からの光取り出し効率を増加させるような構造からなることを特徴とする、(Al,Ga,In)N発光ダイオード(LED)。 - 前記発光層からの光は、前記発光ダイオードの前記発光層とは異なる層のN面表面を介して取り出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。
- 前記発光層からの光は、前記発光ダイオードの前記n型層のN面表面を介して取り出されることを特徴とする、請求項2に記載の発光ダイオード。
- 前記発光ダイオードは、さらにp型層上のp型電極を具備し、該p型電極は高反射特性を有し、n型層のN面表面へ向かう光反射を増加させることを特徴とする、請求項3に記載の発光ダイオード。
- 前記発光ダイオードは、さらにn型層上のn型電極と、電流が該n型電極の下に集中しないようにし、該n型電極下での光放射の吸収を避け、光取り出し効率を増やすために該n型電極の下に位置合わせした電流ブロック層を具備することを特徴とする、請求項3に記載の発光ダイオード。
- 前記構造は複数のエッチングされた錐体を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。
- 前記エッチングされた錐体は、前記N面表面から取り出された光の波長よりも大きいことを特徴とする、請求項6に記載の発光ダイオード。
- 前記エッチングされた錐体が、
2sin -1 (n air /n s )
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体であり、ここで、n air は大気の屈折率で、n s はN面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項6に記載の発光ダイオード。 - 前記エッチングされた錐体が、
2sin -1 (n enc /n s )
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体からなり、ここでn enc は前記N面表面に堆積されたエポキシの屈折率で、n s はN面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項6に記載の発光ダイオード。 - 前記n型層、前記発光層および前記p型層は、それぞれ(Al,Ga,In)N合金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。
- 前記発光ダイオードのN面表面からの光取り出し効率の増加が、構造物のないN面表面に比べて100%を超えることを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記光は、前記発光ダイオードの成長方向に沿って形成される空洞により生じる空洞モード、干渉効果、または縦モードを示さ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。
- 前記発光ダイオードは、発光面積を著しく減らすことなく、前記発光ダイオードの側壁を流れるリーク電流を抑制する、絶縁体から作成された電流閉じ込め枠を含むことを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記発光ダイオードは、熱伝導性の高い材料上に設置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。
- (Al,Ga,In)N発光ダイオード(LED)を製造する方法であって、
基板上に該(Al,Ga,In)N発光ダイオードの少なくとも一つのn型層、発光層、およびp型層を作製する工程と、
該層から該基板を除去することにより、該発光ダイオードの窒素面(N面)表面を露出させる工程と、
該露出した発光ダイオードのN面表面を、該発光ダイオードのN面表面からの光取り出し効率を増加するように構築する工程とを含むことを特徴とする、(Al,Ga,In)N発光ダイオードの製造方法。 - 前記発光ダイオードのN面表面は、異方性エッチングを用いて構築されることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記異方性エッチングがドライエッチングであること特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 前記異方性エッチングがウェットエッチングであることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 前記ウェットエッチングがフォトエンハンスト化学(PEC)エッチングであることを特徴とする、請求項18に記載の方法。
- 前記発光ダイオードのN面表面が、前記発光ダイオードのN面表面を粗面化またはパターニングすることにより構築されることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記発光層からの光が、前記発光ダイオードの前記発光層とは異なる層のN面から取り出されることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記発光層からの光が、前記発光ダイオードの前記n型層の前記N面表面から取り出されることを特徴とする、請求項21に記載の方法。
- 前記発光ダイオードはさらにp型層上のp型電極を具備し、該p型電極は高反射特性を有し、n型層のN面表面へ向かう光反射を増加させることを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記発光ダイオードは、さらにn型層上のn型電極と、電流が該n型電極の下に集中しないようにし、該n型電極下での光放射の吸収を避け、光取り出し効率を増やすために該n型電極の下に位置合わせした電流ブロック層を具備することを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記構造は複数のエッチングされた錐体をからなることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記エッチングされた錐体は、前記N面表面から取り出された光の波長よりも大きいことを特徴とする、請求項25に記載の方法。
- 前記エッチングされた錐体が、
2sin -1 (n air /n s )
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体であり、ここで、n air は大気の屈折率で、n s はN面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項25に記載の方法。 - 前記エッチングされた錐体が、
2sin -1 (n enc /n s )
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体からなり、ここでn enc は前記N面表面に堆積されたエポキシの屈折率で、n s はN面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項25に記載の方法。 - 前記n型層、前記発光層および前記p型層は、それぞれ(Al,Ga,In)N合金からなることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記発光ダイオードのN面表面からの光取り出し効率の増加が、構造物のないN面表面に比べて100%を超えることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記光は、前記発光ダイオードの成長方向に沿って形成される空洞により生じる空洞モード、干渉効果、または縦モードを示さないことを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記発光ダイオードは、発光面積を著しく減らすことなく、前記発光ダイオードの側壁を流れるリーク電流を抑制する、絶縁体から作製された電流閉じ込め枠を含むことを特徴とする、請求項15に記載の方法。
- 前記発光ダイオードは、熱伝導性の高い材料上に設置されることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
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