JP2011091443A - 発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光ダイオードの光取り出し効率を改善する発光ダイオードの製造方法を提供する。
【解決手段】発光ダイオードの製造方法は、表裏の関係である第１表面及び第２表面を有し、前記第１表面上に基板が配置された発光エピタキシャル構造を準備する工程と、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面上に金属層を形成する工程と、陽極酸化ステップにより前記金属層を酸化し、金属酸化物層を形成する工程と、エッチングステップにより前記金属酸化物層の一部を除去し、前記金属酸化物層の中に複数のホールを形成する工程と、前記発光エピタキシャル構造に直接接触する金属電極を形成する工程と、を含む。
【選択図】図１Ｄ
【解決手段】発光ダイオードの製造方法は、表裏の関係である第１表面及び第２表面を有し、前記第１表面上に基板が配置された発光エピタキシャル構造を準備する工程と、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面上に金属層を形成する工程と、陽極酸化ステップにより前記金属層を酸化し、金属酸化物層を形成する工程と、エッチングステップにより前記金属酸化物層の一部を除去し、前記金属酸化物層の中に複数のホールを形成する工程と、前記発光エピタキシャル構造に直接接触する金属電極を形成する工程と、を含む。
【選択図】図１Ｄ
Description
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法に関し、特に、発光ダイオードの光取り出し効率を改善する方法に関する。
発光ダイオードなどの半導体発光素子は、電力を光学パワーへ変換する半導体材料からなる微細な固体光源である。この半導体発光素子は、小体積、低駆動電圧、高速反応、耐衝撃性、長寿命などの特性を備える上、適用する様々な装置の軽薄短小に対するニーズを満たし、日常生活の様々な電子製品に広く利用されている。
発光ダイオード素子の光出力は、一般に発光ダイオードの光取り出し効率を改善することにより向上されてきた。この発光ダイオードの光取り出し効率を改善する方法には数種類ある。その第１の方法は、発光ダイオードの表面を直接エッチングし、その表面に粗化処理を施して発光ダイオードの光取り出し効率を改善させる方法である。この表面粗化処理では、一般にマスクにより表面領域の一部を保護してから、ウェットエッチング又はドライエッチングを行って、表面粗化処理を行っていた。しかし、この表面粗化処理は、表面粗化の均一性が良好でなかった。
第２の方法としては、エッチングにより発光ダイオードの外観を変える方法がある。第３の方法としては、反射ミラーを設置する方法がある。しかし、これら第２及び第３の方法は、製造工程が繁雑であるため、収率が良好でなかった。そのため、発光ダイオードの光取り出し効率の改善技術は理想的でなかった。
本発明の第１の目的は、陽極酸化法により発光ダイオードの表面の金属層を酸化してから、エッチングにより金属酸化物層の一部を除去し、ナノスケール・ホールを均一に形成し、発光ダイオードの表面に粗化処理を施し、発光ダイオードの光取り出し効率を効果的に改善する発光ダイオードの製造方法を提供することにある。本発明の第２の目的は、陽極酸化及びエッチングを利用し、エッチングパラメータを制御することにより均一に分布したナノスケール・ホールを形成し、ホールのサイズ及び間隔を精確に制御する発光ダイオードの製造方法を提供することにある。本発明の第３の目的は、光取出面上に均一に分布されたホールを有する陽極酸化金属層を形成することにより非常に優れた光取り出し効率を得て、発光ダイオード素子の光出力を増大させて発光ダイオード素子の応用範囲を広げる発光ダイオードを提供することにある。
このような技術的課題解決のため、本発明にあっては、表裏の関係である第１表面及び第２表面を有し、前記第１表面上に基板が配置された発光エピタキシャル構造を準備する工程と、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面上に金属層を形成する工程と、陽極酸化ステップにより前記金属層を酸化し、金属酸化物層を形成する工程と、エッチングステップにより前記金属酸化物層の一部を除去し、前記金属酸化物層の中に複数のホールを形成する工程とを含むことを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなることを特徴とする。
本発明は、前記ホールのサイズは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記エッチングステップにおいて、燐酸、蓚酸又は硫酸溶液であるエッチング液を用いることを特徴とする。
本発明は、前記発光エピタキシャル構造は、順次積層された第１導電型の半導体層、活性層及び第２導電型の半導体層を含み、前記第１導電型の半導体層と前記第２導電型の半導体層は、導電型が異なることを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の第１部分上に形成され、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の第２部分を露出することを特徴とする。
本発明は、前記基板の薄化工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の前記第２部分上と、前記基板の露出表面上とに金属電極を２つ形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記ホールは、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の前記第１部分の一部を露出することを特徴とする。
本発明は、前記ホールは、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の前記第１部分の一部を露出しないことを特徴とする。
本発明は、前記発光エピタキシャル構造を準備する工程は、もう一つの基板を準備するステップと、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面上に形成された前記もう一つの基板上に前記発光エピタキシャル構造を形成するステップと、前記発光エピタキシャル構造の前記第１表面上に前記基板を形成するステップと、前記もう一つの基板を除去し、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面を露出するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明は、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の前記第２部分上と、前記基板の露出表面上とに金属電極を２つ形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記発光エピタキシャル構造は、前記基板と前記第１導電型の半導体層の間に形成されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする。
本発明は、前記金属層を形成する工程の前に、前記第２導電型の半導体層の一部及び前記活性層の一部を除去し、前記第１導電型の半導体層の一部を露出する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、前記第２導電型の半導体層の残留部分の第１部分上に形成され、前記第２導電型の半導体層の前記残留部分の第２部分を露出することを特徴とする。
本発明は、前記陽極酸化ステップの後に行う前記基板の薄化ステップをさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記第１導電型の半導体層の前記露出部分上と、記第２導電型の半導体層の前記残留部分の前記第２部分上とに金属電極を２つ形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記陽極酸化ステップと金属電極の形成ステップの間に、透明電極を形成して前記金属層及び前記ホールを覆う工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記金属層の厚さは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記陽極酸化ステップを行うときの反応電圧は２から１００Ｖの間であることを特徴とする。
本発明は、表裏の関係である第１表面及び第２表面を有する基板を準備する工程と、前記基板上に順次積層された第１導電型の半導体層、活性層及び第２導電型の半導体層を含み、前記第１導電型の半導体層と前記第２導電型の半導体層とは導電型が異なる発光エピタキシャル構造を前記基板の前記第１表面上に形成する工程と、前記第２導電型の半導体層の一部及び前記活性層の一部を除去し、前記第１導電型の半導体層の一部を露出する工程と、前記基板の前記第２表面上に金属層を形成する工程と、陽極酸化ステップにより前記金属層を酸化し、金属酸化物層を形成する工程と、エッチングステップにより前記金属酸化物層の一部を除去し、前記金属酸化物層の中に複数のホールを形成する工程と、その表面上に少なくとも２つのボンディングバンプが設けられたサブマウントを準備する工程と、フリップチップ・ステップを行って、前記第１導電型の半導体層及び前記第２導電型の半導体層の露出部分を前記サブマウントの前記ボンディングバンプにそれぞれ接続する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなることを特徴とする。
本発明は、前記金属層の厚さは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記陽極酸化ステップを行うときの反応電圧は２から１００Ｖの間であることを特徴とする。
本発明は、前記ホールのサイズは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記ホールは、前記基板の前記第２表面の一部を露出することを特徴とする。
本発明は、表裏の関係である第１表面及び第２表面を有し、前記第１表面上に基板が配置された発光エピタキシャル構造と、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面上に形成され、金属層からなり複数のホールを含む陽極酸化金属層とを備えることを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなることを特徴とする。
本発明は、前記金属層の厚さは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記ホールのサイズは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記発光エピタキシャル構造は、順次積層された第１導電型の半導体層、活性層及び第２導電型の半導体層を含み、前記第１導電型の半導体層と前記第２導電型の半導体層は導電型が異なることを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の第１部分上に形成され、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の第２部分を露出することを特徴とする。
本発明は、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の前記第２部分と、前記基板の露出表面上とに金属電極を２つ形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、前記ホールは、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の前記第１部分の一部を露出することを特徴とする。
本発明は、前記ホールは、前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面の前記第１部分の一部を露出しないことを特徴とする。
本発明は、前記第２導電型の半導体層と前記活性層からなる積層構造は、前記第１導電型の半導体層の一部に配置され、前記第１導電型の半導体層のその他の部分を露出することを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、前記第２導電型の半導体層の第１部分上に形成され、前記第２導電型の半導体層の第２部分を露出することを特徴とする。
本発明は、前記第１導電型の半導体層の前記露出部分上と、前記第２導電型の半導体層の前記第２部分上とに形成する２つの金属電極をさらに備えることを特徴とする。
本発明は、前記陽極酸化金属層及び前記ホールを覆う透明電極をさらに備えることを特徴とする。
本発明は、基板、発光エピタキシャル構造、陽極酸化金属層及びサブマウントを備える発光ダイオードであって、前記基板は、表裏の関係である第１表面及び第２表面を有し、前記発光エピタキシャル構造は、前記基板の前記第１表面上に配置され、前記基板上に順次積層された第１導電型の半導体層、活性層及び第２導電型の半導体層を含み、前記活性層及び前記第２導電型の半導体層から構成された積層構造が前記第１導電型の半導体層の一部を露出し、前記第１導電型の半導体層と前記第２導電型の半導体層は導電型が異なり、前記陽極酸化金属層は、前記基板の前記第２表面上に形成され、複数のホールを含んだ金属層からなり、前記サブマウントは、その表面上に少なくとも２つのボンディングバンプが設けられ、前記第１導電型の半導体層及び前記第２導電型の半導体層の露出部分が前記サブマウントの前記ボンディングバンプにそれぞれ接続されていることを特徴とする。
本発明は、前記金属層は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなることを特徴とする。
本発明は、前記金属層の厚さは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記ホールのサイズは１から１０００ｎｍの間であることを特徴とする。
本発明は、前記ホールは、前記基板の前記第２表面の一部を露出することを特徴とする。
本発明の発光ダイオード及びその製造方法は、光取出面上の金属層に対して陽極酸化及びエッチングを行うことにより、素子の光取出面上に均一に分布したナノスケール・ホールを有する陽極酸化金属層を形成し、素子の光取出面の粗化を容易に行うことができる。そのため、製造工程が簡単で実施が容易であるだけでなく、収率を向上させ、光取出しが均一で光取り出し効率に優れた発光ダイオード素子を得ることができる。
本発明の発光ダイオード及びその製造方法は、陽極酸化とエッチング技術の簡単な組み合わせにより、発光ダイオード素子の光取出面に均一な粗化処理を行う。以下、本発明がより詳細かつ完全に理解できるように、図１Ａから図５Ｆと併せて説明する。
図１Ａから図１Ｄは、本発明の第１実施形態による発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。まず、表裏の関係にある２つの表面を有する基板１００を準備する。この基板１００は、ＧａＡｓやＩｎＰなどの半導体材料からなる。図１Ａに示すように、エピタキシャル法を利用し、基板１００の一表面上に発光エピタキシャル構造１０２を成長させる。発光エピタキシャル構造１０２は、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＩｎＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＮ系材料などからなってもよい。一般に、この発光エピタキシャル構造１０２は、基板１００上に順次積層された第１導電型の半導体層、活性層及び第２導電型の半導体層を含んでもよい。第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層は、導電型が異なり、第１導電型の半導体層がｐ型のとき、第２導電型の半導体層はｎ型であり、第１の導電型の半導体層がｎ型のとき、第２導電型の半導体層はｐ型である。
続いて、スパッタリング法や蒸着法を利用し、発光エピタキシャル構造１０２の基板１００の反対側である表面上に金属層１０４を形成する。図１Ｂに示すように、金属層１０４は、フォトリソグラフィ・エッチング法又はリフトオフ（lift-off）法により、発光エピタキシャル構造１０２の表面の一部に形成され、発光エピタキシャル構造１０２の表面上に露出部分１０６が形成される。金属層１０４は、例えばＡｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなり、約１から１０００ｎｍの間の厚さを有する。
金属層１０４が形成された後、金属層１０４に陽極酸化ステップを行い、金属層１０４を金属酸化物層１０８に形成する。金属層１０４の陽極酸化ステップにより、多孔質構造を有する金属酸化物層１０８を形成し、酸化性雰囲気（酸化電圧など）を適切に制御することにより、金属酸化物層１０８の表面上に揃えて配置されたホールを形成する。第１実施形態では、陽極酸化ステップにおける反応電圧を約２から１００Ｖの間に制御することが好ましい。金属酸化物層１０８の表面に形成されるホールは、酸化時間が長いほど深くなる。金属層１０４の陽極酸化ステップを行った後、ウェットエッチング法を利用し、金属酸化物層１０８の一部をエッチング液で除去する。このエッチング液は、酸性溶液（例えば、燐酸、蓚酸又は硫酸溶液）を用いることが好ましい。図１Ｃに示すように、陽極酸化ステップを行った後に形成される金属酸化物層１０８の表面は多孔質構造を有するため、エッチングを行うと、金属酸化物層１０８には均一に分布されたホール１１０が形成される。ホール１１０のサイズ及び間隔は、エッチング液の成分や濃度、エッチングの時間や温度などのパラメータを変えて調整することができる。本実施形態で形成されるホール１１０のサイズは、約１から１０００ｎｍの間である。本実施形態では、金属酸化物層１０８に貫設されたホール１１０は、下方にある発光エピタキシャル構造１０２の表面を露出させる。しかし、図１Ｅに示すように、他の実施形態では、金属酸化物層１０８のエッチングを行うと、均一に分布されたホール１１６が形成されるが、これらホール１１６は金属酸化物層１０８に完全に貫設された状態ではない。
続いて、選択的に基板の薄化処理を行い、基板１００の厚さを低減する。その後、スパッタリング法や蒸着法を利用し、図１Ｃ又は図１Ｅに示す発光エピタキシャル構造１０２の露出部分１０６と、基板１００の発光エピタキシャル構造１０２の反対側である表面上に、それぞれ電極１１２、１１４を形成し、図１Ｄ又は図１Ｆに示すような構造を形成する。電極１１２、１１４は、良好な導電性性能を備えた金属電極であることが好ましい。
本発明は、金属に陽極酸化処理を行った後、形成された金属酸化物層の中に揃えて配置されたホール構造が形成される。そして、ウェットエッチングを行って金属酸化物層の中に均一に分布されたナノスケール・ホールを形成することができる。そのため、全体の製造工程は複雑でなく非常に簡単である。また、発光ダイオード素子の表面の粗化処理を容易に行い、発光ダイオードの光取り出し効率を向上させ、金属酸化物層の中のホールが揃えて配置されるため、素子の光取出の均一度に悪影響を与えず、素子の発光品質を向上させることができる。
図２Ａから図２Ｅは、本発明の第２実施形態による発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。第２実施形態では、まず、エピタキシャル材料をその上に成長させるための基板２００を提供する。この基板２００は、ＧａＡｓ、ＩｎＰやサファイア（sapphire）などの半導体材料からなってもよい。図２Ａに示すように、エピタキシャル法を利用し、基板２００の一表面上に発光エピタキシャル構造２０２を成長させる。発光エピタキシャル構造２０２は、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＩｎＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＮ系材料などからなってもよい。この発光エピタキシャル構造２０２は、基板２００上に順次積層された第１導電型の半導体層、活性層及び第２導電型の半導体層を含んでもよい。第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層は、導電型が異なる。例えば、第１導電型の半導体層がｐ型のとき、第２導電型の半導体層はｎ型であり、第１の導電型の半導体層がｎ型のとき、第２導電型の半導体層はｐ型である。
続いて、もう一つの基板２０４を準備する。発光エピタキシャル構造２０２は、ウェハー接合（Wafer Bonding）法により、一方の面に成長基板２００を接合し、他方の面に基板２０４を接合し、図２Ｂに示すような構造を形成する。基板２０４は、Ｓｉ、ＣｕやＭｏなどの放熱性が良好な材料からなることが好ましい。続いて、図２Ｃに示すように、エッチング、研磨又はレーザ技術により、成長基板２００を有する発光エピタキシャル構造２０２の表面が露出されるまで成長基板２００を除去する。
続いて、スパッタリング法や蒸着法により、発光エピタキシャル構造２０２の基板２０４の反対側である露出表面上に金属層２０６を形成する。図２Ｄに示すように、金属層２０６を製作するときは、フォトリソグラフィ・エッチング法又はリフトオフ法により、発光エピタキシャル構造２０２の露出表面の一部に金属層２０６を形成し、発光エピタキシャル構造２０２の表面上に露出部分２０８を形成する。第１実施形態と同様に、金属層２０６は、例えばＡｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなり、約１から１０００ｎｍの間の厚さを有する。
続いて、陽極酸化ステップを行い、金属層２０６を金属酸化物層２１０に形成する。金属層２０６の陽極酸化ステップにより、多孔質構造を有する金属酸化物層２１０を形成する。そして、酸化性雰囲気（酸化電圧など）を適切に制御することにより、金属酸化物層２１０の表面上に、揃えて配置されたホールを形成する。第２実施形態では、陽極酸化ステップにおける反応電圧を約２から１００Ｖの間に制御することが好ましい。金属酸化物層２１０の表面上に形成されるホールの深さは、酸化時間の調整により制御することができる。続いて、ウェットエッチング法により金属酸化物層２１０の一部をエッチング液で除去する。このエッチング液は、酸性溶液（例えば、燐酸、蓚酸又は硫酸溶液）を用いることが好ましい。金属酸化物層２１０の表面は多孔質構造であるため、ウェットエッチングを行うと、金属酸化物層２１０に均一に分布されたホール２１２が形成される。これにより、発光ダイオード素子の光取出面を粗化させることができる。ホール２１２のサイズ及び間隔は、エッチング液の成分や濃度、エッチングの時間や温度などのパラメータを変えて調整することができる。本実施形態で形成されるホール２１２のサイズは、約１から１０００ｎｍの間である。金属酸化物層２１０に貫設されたホール２１２は、下方にある発光エピタキシャル構造２０２の表面を露出することができる。しかし、図２Ｆに示すように、他の実施形態では、金属酸化物層２１０のエッチングを行った後のホール２１８は、均一に分布された状態に形成されるが、金属酸化物層２１０に完全に貫設された状態には形成されない。
その後、スパッタリング法や蒸着法を利用し、発光エピタキシャル構造２０２の露出部分２０８と、基板２０４の発光エピタキシャル構造２０２の反対側である表面上とに、電極２１４、２１６をそれぞれ形成し、図２Ｅ又は図２Ｇに示すような構造である発光ダイオード素子の製作を完了する。電極２１４、２１６は、良好な導電性性能を備えた金属からなることが好ましい。
上述の第１実施形態及び第２実施形態は、垂直導電型発光ダイオード素子の製造に関するが、本発明は同じ側に電極が設けられた発光ダイオード素子の製造にも応用することができる。図３Ａから図３Ｄは、本発明の第３実施形態による発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。第３実施形態は、同じ側に電極が設けられた発光ダイオード素子の製造に関する。まず、サファイアやＳｉＣなどからなる基板３００を準備する。そして、エピタキシャル法などを利用し、基板３００の表面上に発光エピタキシャル構造３１０を成長させる。この発光エピタキシャル構造３１０は、ＡｌＧａＩｎＮ系材料などからなってもよい。また、この発光エピタキシャル構造３１０は、基板３００上に順次積層された第１導電型の半導体層３０４、活性層３０６及び第２導電型の半導体層３０８を含んでもよい。第１導電型の半導体層３０４と第２導電型の半導体層３０８は、導電型が異なる。例えば、第１導電型の半導体層３０４がｐ型のとき、第２導電型の半導体層３０８はｎ型であり、第１導電型の半導体層３０４がｎ型のとき、第２導電型の半導体層３０８はｐ型である。本実施形態では、基板３００上にスムースに半導体材料のエピタキシャル成長を行うため、第１導電型の半導体層３０４を成長させる前に、バッファ層３０２を選択的に積層させてもよい。この場合、本実施形態の発光エピタキシャル構造３１０は、基板３００と第１導電型の半導体層３０４の間に形成されたバッファ層３０２をさらに含む。第１導電型の半導体層３０４及び第２導電型の半導体層３０８は、ＧａＮなどからなり、活性層３０６は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ
ＭＱＷなどの構造からなってもよい。
ＭＱＷなどの構造からなってもよい。
発光エピタキシャル構造３１０を形成した後に、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、下方にある第１導電型の半導体層３０４が露出されるまで第２導電型の半導体層３０８の一部及び活性層３０６の一部を除去し、第１導電型の半導体層３０４に露出部分３１２を画定する。
続いて、図３Ｂに示すように、スパッタリング法又は蒸着法にフォトリソグラフィ・エッチング法又はリフトオフ法を組み合わせた方法により、残留された第２導電型の半導体層３０８の表面の一部に金属層３１４を形成し、第２導電型の半導体層３０８の表面に露出部分３１６を画定する。金属層３１４は、例えばＡｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなり、約１から１０００ｎｍの間の厚さを有する。
続いて、陽極酸化ステップを行い、金属層３１４を金属酸化物層３１８に形成する。第３実施形態では、陽極酸化ステップを行うときの反応電圧を約２から１００Ｖの間に制御することが好ましい。そして、この陽極酸化ステップにより、金属層３１４は多孔質構造を有する金属酸化物層３１８に形成される。また、酸化性雰囲気（酸化電圧など）を適切に制御することにより、金属酸化物層３１８の表面上には、揃えて配置されたホールが形成される。続いて、金属酸化物層３１８を形成した後に、ウェットエッチング法により金属酸化物層３１８の一部をエッチング液で除去する。このエッチング液には、酸性溶液（例えば、燐酸、蓚酸又は硫酸溶液）を用いることが好ましい。金属酸化物層３１８の表面には、揃えて配置されたホールが形成されるため、ウェットエッチングを行うと、金属酸化物層３１８に均一に分布されたホール３２０が形成される。これにより発光ダイオード素子の光取出面を均一に粗化することができる。ホール３２０のサイズ及び間隔は、エッチング液の成分や濃度、エッチングの時間や温度などのパラメータを変えて調整することができる。本実施形態で形成するホール３２０のサイズは、約１から１０００ｎｍの間である。図３Ｃに示すように、金属酸化物層３１８に貫設されたホール３２０は、その下にある第２導電型の半導体層３０８の表面を露出させる。また、図３Ｆに示すように、他の実施形態では、金属酸化物層３１８のエッチングを行うと、ホール３２８は、均一に分布された状態に形成されるが、金属酸化物層３１８に完全に貫設された状態とはならない。
その後、積層方式などを利用し、まず、透明電極３２６を選択的に形成し、金属酸化物層３１８、ホール３２０、及びホール３２０により露出された第２導電型の半導体層３０８の表面を覆う。透明電極３２６は、ＩＴＯやＩＺＯなどからなってもよい。その後、図３Ｄに示すように、スパッタリング法や蒸着法を利用し、第１導電型の半導体層３０４の露出部分３１２上と、第２導電型の半導体層３０８の露出部分３１６上とに電極３２２、３２４をそれぞれ形成する。電極３２２、３２４は、良好な導電性性能を備える金属電極であることが好ましい。また本発明では、透明電極３２６を形成せずに、電極３２２、３２４を直接に形成してもよい。続いて、選択的に基板の薄化処理を行い、基板３００の厚さを低減する。その後、積層、陽極酸化及びエッチングステップなどにより、ナノスケール・ホールを有する金属酸化物層３３０を形成し、基板３００の発光エピタキシャル構造３１０の反対側である表面の一部を覆い、基板３００の表面の残りの一部を露出させる。
続いて、図３Ｅ及び図３Ｆに示すように、積層方式により誘電体層３３２を形成し、金属酸化物層３３０と、露出された基板３００の表面上とを覆い、発光ダイオード素子の製作を完了する。誘電体層３３２は、全体の光取り出し効率を向上させるため、酸化ケイ素や窒化ケイ素などからなってもよい。
続いて、図３Ｅ及び図３Ｆに示すように、積層方式により誘電体層３３２を形成し、金属酸化物層３３０と、露出された基板３００の表面上とを覆い、発光ダイオード素子の製作を完了する。誘電体層３３２は、全体の光取り出し効率を向上させるため、酸化ケイ素や窒化ケイ素などからなってもよい。
図４Ａから図４Ｅは、本発明の第４実施形態による発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。まず、サファイアやＳｉＣなどからなる基板４００を準備する。エピタキシャル法などを利用し、基板４００の表面上に発光エピタキシャル構造４１０を成長させる。発光エピタキシャル構造４１０は、ＡｌＧａＩｎＮ系材料などからなってもよい。この発光エピタキシャル構造４１０は、基板４００上に順次積層された第１導電型の半導体層４０４、活性層４０６及び第２導電型の半導体層４０８を含んでもよい。第１導電型の半導体層４０４と第２導電型の半導体層４０８は、導電型が異なる。例えば、第１導電型の半導体層４０４がｐ型のとき、第２導電型の半導体層４０８はｎ型であり、第１導電型の半導体層４０４がｎ型のとき、第２導電型の半導体層４０８はｐ型である。本実施形態では、第１導電型の半導体層４０４のスムースなエピタキシャル成長のために、第１導電型の半導体層４０４を成長させる前に、バッファ層４０２を選択的に積層させてもよい。その場合、第４実施形態の発光エピタキシャル構造４１０は、基板４００と第１導電型の半導体層４０４の間に形成されたバッファ層４０２をさらに含む。第１導電型の半導体層４０４及び第２導電型の半導体層４０８は、ＧａＮなどからなり、活性層４０６は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ
ＭＱＷなどの構造からなってもよい。発光エピタキシャル構造４１０を形成した後に、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、下方にある第１導電型の半導体層４０４が露出されるまで第２導電型の半導体層４０８の一部及び活性層４０６の一部を除去し、第１導電型の半導体層４０４に露出部分４１２を画定する。続いて、透明電極層４２６を形成して第２導電型の半導体層４０８上の一部を覆う。その後、スパッタリング法や蒸着法を利用し、図４Ａに示すように、第１導電型の半導体層４０４の露出部分４１２と、第２導電型の半導体層４０８の上方にある透明電極層４２６上とに、電極４２８、４３０をそれぞれ形成する。電極４２８、４３０は、良好な導電性性能を備える金属電極であることが好ましい。
ＭＱＷなどの構造からなってもよい。発光エピタキシャル構造４１０を形成した後に、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、下方にある第１導電型の半導体層４０４が露出されるまで第２導電型の半導体層４０８の一部及び活性層４０６の一部を除去し、第１導電型の半導体層４０４に露出部分４１２を画定する。続いて、透明電極層４２６を形成して第２導電型の半導体層４０８上の一部を覆う。その後、スパッタリング法や蒸着法を利用し、図４Ａに示すように、第１導電型の半導体層４０４の露出部分４１２と、第２導電型の半導体層４０８の上方にある透明電極層４２６上とに、電極４２８、４３０をそれぞれ形成する。電極４２８、４３０は、良好な導電性性能を備える金属電極であることが好ましい。
続いて、選択的に基板の薄化処理を行い、基板４００の厚さを低減する。図４Ｂに示すように、スパッタリング法や蒸着法により、発光エピタキシャル構造４１０の基板４００の表面上に金属層４１４を形成する。この金属層４１４は、例えばＡｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなり、約１から１０００ｎｍの間の厚さを有する。
続いて、陽極酸化ステップを行い、金属層４１４を金属酸化物層４１６に形成する。第４実施形態では、陽極酸化ステップにおける反応電圧を約２から１００Ｖの間に制御することが好ましい。陽極酸化ステップを行うと、この金属層４１４は多孔質構造を有する金属酸化物層４１６に形成される。陽極酸化ステップでは、酸化性雰囲気（酸化電圧など）を適切に制御することにより、金属酸化物層４１６の表面上に揃えて配置されたホールを形成する。続いて、ウェットエッチング法により金属酸化物層４１６の一部をエッチング液で除去する。このエッチング液は、酸性溶液（例えば、燐酸、蓚酸又は硫酸溶液）を用いることが好ましい。図４Ｃに示すように、金属酸化物層４１６の表面には、揃えて配置されたホールが形成されるため、ウェットエッチングを行うと、金属酸化物層４１６に均一に分布されたホール４１８が貫設され、その下にある基板４００の表面が露出される。
これにより発光ダイオード素子の光取出面を均一に粗化させることができる。ホール４１８のサイズ及び間隔は、エッチング液の成分や濃度、エッチングの時間や温度などのパラメータを変えて調整することができる。ホール４１８のサイズは、約１から１０００ｎｍの間である。図４Ｆに示すように、金属酸化物層４１６をエッチングすると、ホール４３４は、均一に分布された状態に形成されるが、金属酸化物層４１６に完全に貫設された状態ではない。そして、このようなナノスケール・ホールは、基板４００の表面における光取り出し効率を向上させることができる。続いて、図４Ｄ又は図４Ｆに示すように、積層方式などにより誘電体層４３２を形成し、金属酸化物層４１６及び露出された基板４００の表面上を覆う。
これにより発光ダイオード素子の光取出面を均一に粗化させることができる。ホール４１８のサイズ及び間隔は、エッチング液の成分や濃度、エッチングの時間や温度などのパラメータを変えて調整することができる。ホール４１８のサイズは、約１から１０００ｎｍの間である。図４Ｆに示すように、金属酸化物層４１６をエッチングすると、ホール４３４は、均一に分布された状態に形成されるが、金属酸化物層４１６に完全に貫設された状態ではない。そして、このようなナノスケール・ホールは、基板４００の表面における光取り出し効率を向上させることができる。続いて、図４Ｄ又は図４Ｆに示すように、積層方式などにより誘電体層４３２を形成し、金属酸化物層４１６及び露出された基板４００の表面上を覆う。
続いて、導電性のサブマウント４２０を準備する。このサブマウント４２０の一表面上には、少なくとも２つのボンディングバンプ４２２、４２４が配置される。これら２つのボンディングバンプ４２２、４２４は、電極４３０、４２８にそれぞれ対応した位置に設けられている。その後、図４Ｅ又は図４Ｆに示すように、フリップチップを行い、サブマウント４２０のボンディングバンプ４２４、４２２に電極４２８、４３０を接合し、発光ダイオード素子の製作を完了する。
図５Ａから図５Ｆは、本発明の第５実施形態による、発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。本実施形態では、まず、サファイアやＳｉＣなどの半導体材料からなる基板５００を準備する。エピタキシャル法などを利用し、基板５００の表面上に発光エピタキシャル構造５０８を成長させ、図５Ａに示すような構造を形成する。発光エピタキシャル構造５０８は、ＡｌＧａＩｎＮ系材料などからなってもよい。この発光エピタキシャル構造５０８は、基板５００上に順次積層された第１導電型の半導体層５０２、活性層５０４及び第２導電型の半導体層５０６を含んでもよい。第１導電型の半導体層５０２と第２導電型の半導体層５０６は、導電型が異なる。例えば、第１導電型の半導体層５０２がｐ型のとき、第２導電型の半導体層５０６はｎ型であり、第１導電型の半導体層５０２がｎ型のとき、第２導電型の半導体層５０６はｐ型である。第１導電型の半導体層５０２及び第２導電型の半導体層５０６は、ＧａＮなどからなり、活性層５０４は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ
ＭＱＷなどの構造からなってもよい。
ＭＱＷなどの構造からなってもよい。
続いて、もう一つの基板５１０を準備する。この基板５１０は、結合方式を利用し、発光エピタキシャル構造５０８の成長基板５００の反対側である表面上に接合され、図５Ｂに示すような構造に形成する。基板５１０は、サファイアやガラスなどの透明材料からなることが好ましい。続いて、図５Ｃに示すように、エッチング、研磨又はレーザ技術により、成長基板５００を有する発光エピタキシャル構造５０８の表面が露出されるまで成長基板５００を除去する。
成長基板５００を除去した後、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、下方にある第２導電型の半導体層５０６が露出されるまで第１導電型の半導体層５０２の一部及び活性層５０４の一部を除去し、第２導電型の半導体層５０６に露出部分５１２を画定する。
続いて、スパッタリング法や蒸着法に、フォトリソグラフィ・エッチング法又はリフトオフ法を組み合わせた方法により、残留された第１導電型の半導体層５０２の表面の一部上に金属層（図示せず）を形成し、第１導電型の半導体層５０２の表面の一部を露出させる。金属層は、例えばＡｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉからなり、約１から１０００ｎｍの間の厚さを有する。続いて、陽極酸化ステップを行い、金属層を金属酸化物層５１８に形成する。第５実施形態では、陽極酸化ステップを行うときの反応電圧を約２から１００Ｖの間に制御することが好ましい。この陽極酸化ステップにより、金属層は多孔質構造を有する金属酸化物層５１８に形成される。酸化性雰囲気（酸化電圧など）を適切に制御することにより、金属酸化物層５１８の表面上に揃えて配置されたホールを形成する。そして、金属酸化物層５１８が形成された後に、ウェットエッチング法により、金属酸化物層５１８の一部をエッチング液で除去する。このエッチング液は、酸性溶液（例えば、燐酸、蓚酸又は硫酸溶液）を用いることが好ましい。金属酸化物層５１８の表面には、揃えて配置されたホールが既に形成されているため、ウェットエッチングを行うと、金属酸化物層５１８に均一に分布されたホール５２０が形成され、発光ダイオード素子の光取出面を均一に粗化させることができる。ホール５２０のサイズ及び間隔は、エッチング液の成分や濃度、エッチングの時間や温度などのパラメータを変えて調整することができる。本実施形態で形成されるホール５２０のサイズは、約１から１０００ｎｍの間である。金属酸化物層５１８に貫設されたホール５２０は、下方にある第１導電型の半導体層５０２の表面を露出させる。しかし、他の実施形態では、金属酸化物層のエッチングを行うと、ホールが均一に分布された状態に形成されるが、金属酸化物層に完全に貫設された状態とはならない。
その後、積層方式などを利用し、まず、透明電極層５２２を選択的に形成し、金属酸化物層５１８、ホール５２０、及びホール５２０により露出された第１導電型の半導体層５０２の表面を覆う。透明電極層５２２は、ＩＴＯやＩＺＯなどからなってもよい。その後、スパッタリング法や蒸着法を利用し、第２導電型の半導体層５０６の露出部分５１２上と、第１導電型の半導体層５０２の露出部分上とに電極５１４、５１６をそれぞれ形成し、図５Ｄに示すような構造を形成する。電極５１４、５１６は、良好な導電性性能を備えた金属電極であることが好ましい。その後、積層、リソグラフィ及びエッチングステップなどにより、基板５１０の発光エピタキシャル構造５０８の反対側である表面の一部を覆うナノスケール・ホールを有する酸化物層５２４を形成する。続いて、積層方式により、酸化物層５２４、及び露出された基板５１０の表面上を覆う誘電体層５２６を形成し、図５Ｅに示すような構造を形成する。誘電体層５２６は、酸化ケイ素や窒化ケイ素などからなってもよい。
その後、一表面上に少なくとも２つのボンディングバンプ５３０、５３２が設けられた導電性のサブマウント５２８を準備する。これら２つのボンディングバンプ５３０、５３２の位置は、電極５１６、５１４にそれぞれ対応している。その後、図５Ｆに示すように、フリップチップ・ステップを行い、サブマウント５２８のボンディングバンプ５３０、５３２に電極５１６、５１４を接合し、発光ダイオード素子の製作を完成させる。
上述の実施形態から分かるように、本発明は以下の長所を有する。（一）陽極酸化技術により発光ダイオードの表面上の金属層を酸化し、エッチング技術と組み合わせて、均一に分布されたナノスケール・ホールを有する金属酸化層を形成するため、発光ダイオードの表面を均一に粗化し、発光ダイオードの光取り出し効率を効率的に改善することができる。（二）製造工程の簡便な陽極酸化及びエッチング技術を利用し、発光ダイオードの表面上に均一に分布したナノスケール・ホールを形成してから、エッチングパラメータの簡単な制御により、ホールのサイズや間隔を精確に制御することができる。従って、簡単な製造工程により、発光ダイオードの収率を大幅に向上させることができる。（三）発光ダイオードの光取出面上に陽極酸化金属層を設ける。この陽極酸化金属層は、均一に分布された複数のホールを有するため非常に優れた光取り出し効率を得て、発光ダイオード素子の光出力を大幅に増大させるとともに、発光の均一度を向上させることができる。そのため、発光ダイオード素子の応用範囲を広げることができる。
当該施術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本出願による特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
１００ 基板
１０２ 発光エピタキシャル構造
１０４ 金属層
１０６ 露出部分
１０８ 金属酸化物層
１１０ ホール
１１２ 電極
１１４ 電極
１１６ ホール
２００ 成長基板
２０２ 発光エピタキシャル構造
２０４ 基板
２０６ 金属層
２０８ 露出部分
２１０ 金属酸化物層
２１２ ホール
２１４ 電極
２１６ 電極
２１８ ホール
３００ 基板
３０２ バッファ層
３０４ 第１導電型の半導体層
３０６ 活性層
３０８ 第２導電型の半導体層
３１０ 発光エピタキシャル構造
３１２ 露出部分
３１４ 金属層
３１６ 露出部分
３１８ 金属酸化物層
３２０ ホール
３２２ 電極
３２４ 電極
３２６ 透明電極
３２８ ホール
３３０ 金属酸化物層
３３２ 誘電体層
４００ 基板
４０２ バッファ層
４０４ 第１導電型の半導体層
４０６ 活性層
４０８ 第２導電型の半導体層
４１０ 発光エピタキシャル構造
４１２ 露出部分
４１４ 金属層
４１６ 金属酸化物層
４１８ ホール
４２０ サブマウント
４２２ ボンディングバンプ
４２４ ボンディングバンプ
４２６ 透明電極層
４２８ 電極
４３０ 電極
４３２ 誘電体層
４３４ ホール
５００ 基板
５０２ 第１導電型の半導体層
５０４ 活性層
５０６ 第２導電型の半導体層
５０８ 発光エピタキシャル構造
５１０ 基板
５１２ 露出部分
５１４ 電極
５１６ 電極
５１８ 金属酸化物層
５２０ ホール
５２２ 透明電極層
５２４ 酸化物層
５２６ 誘電体層
５２８ サブマウント
５３０ ボンディングバンプ
５３２ ボンディングバンプ
１０２ 発光エピタキシャル構造
１０４ 金属層
１０６ 露出部分
１０８ 金属酸化物層
１１０ ホール
１１２ 電極
１１４ 電極
１１６ ホール
２００ 成長基板
２０２ 発光エピタキシャル構造
２０４ 基板
２０６ 金属層
２０８ 露出部分
２１０ 金属酸化物層
２１２ ホール
２１４ 電極
２１６ 電極
２１８ ホール
３００ 基板
３０２ バッファ層
３０４ 第１導電型の半導体層
３０６ 活性層
３０８ 第２導電型の半導体層
３１０ 発光エピタキシャル構造
３１２ 露出部分
３１４ 金属層
３１６ 露出部分
３１８ 金属酸化物層
３２０ ホール
３２２ 電極
３２４ 電極
３２６ 透明電極
３２８ ホール
３３０ 金属酸化物層
３３２ 誘電体層
４００ 基板
４０２ バッファ層
４０４ 第１導電型の半導体層
４０６ 活性層
４０８ 第２導電型の半導体層
４１０ 発光エピタキシャル構造
４１２ 露出部分
４１４ 金属層
４１６ 金属酸化物層
４１８ ホール
４２０ サブマウント
４２２ ボンディングバンプ
４２４ ボンディングバンプ
４２６ 透明電極層
４２８ 電極
４３０ 電極
４３２ 誘電体層
４３４ ホール
５００ 基板
５０２ 第１導電型の半導体層
５０４ 活性層
５０６ 第２導電型の半導体層
５０８ 発光エピタキシャル構造
５１０ 基板
５１２ 露出部分
５１４ 電極
５１６ 電極
５１８ 金属酸化物層
５２０ ホール
５２２ 透明電極層
５２４ 酸化物層
５２６ 誘電体層
５２８ サブマウント
５３０ ボンディングバンプ
５３２ ボンディングバンプ
Claims (6)
- 発光ダイオードを製造する発光ダイオードの製造方法であって、
表裏の関係である第１表面及び第２表面を有し、前記第１表面上に基板が配置された発光エピタキシャル構造を準備する工程と、
前記発光エピタキシャル構造の前記第２表面上に金属層を形成する工程と、
陽極酸化ステップにより前記金属層を酸化し、金属酸化物層を形成する工程と、
エッチングステップにより前記金属酸化物層の一部を除去し、前記金属酸化物層の中に複数のホールを形成する工程と、
前記発光エピタキシャル構造に直接接触する金属電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 前記金属層は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｇ又はＴｉ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の製造方法。
- 前記ホールのサイズは、１ｎｍから１０００ｎｍの間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の製造方法。
- 前記エッチングステップにおいて、燐酸、蓚酸又は硫酸溶液であるエッチング液を用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の製造方法。
- 前記ホールは、前記発光エピタキシャル構造の一部を露出することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記金属層の厚さは、１ｎｍから１０００ｎｍの間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の製造方法。
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