JP2011216882A - 高効率発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光抽出効率を改善する高効率発光ダイオードを提供する。
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、支持基板上に位置する半導体積層構造体を含む。半導体積層構造体はｐ型化合物半導体層、活性層及びｎ型化合物半導体層を有し、ｐ型化合物半導体層がｎ型化合物半導体層よりも支持基板側に位置する。開口部がｐ型化合物半導体層及び活性層を少なくとも二領域に分け、ｎ型化合物半導体層を露出する。絶縁層がｎ型化合物半導体層の露出面と開口部の側壁とを覆う。透明電極層が絶縁層及びｐ型化合物半導体層を覆い、ｐ型化合物半導体層にオーミックコンタクトする。反射絶縁層が透明電極層を覆って形成され、活性層から支持基板側に向かう光を反射する。ｐ‐電極が反射絶縁層を覆って形成され、ｎ‐電極がｎ型化合物半導体層の上部に形成される。反射絶縁層は透明電極層を露出するように一部が除去され、ｐ‐電極は露出した透明電極層に電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、より詳しくは、基板分離工程を適用し、成長基板を除去した窒化ガリウム系高効率発光ダイオード及びその製造方法に関する。
一般に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のようなIII族元素の窒化物は、熱的安定性に優れ、直接遷移型のエネルギーバンド構造を有しており、最近、可視光線及び紫外線領域の発光素子用物質として多くの脚光を浴びている。特に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を用いた青色及び緑色の発光素子は、大規模のフルカラーフラットパネルディスプレイ、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム、光通信等様々な応用分野に活用されている。
このようなIII族元素の窒化物半導体層は、それを成長させることができる同種の基板を製作することが困難であり、類似した結晶構造を有する異種基板において、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の工程によって成長させることができる。異種基板としては、六方晶構造を有するサファイア基板が主に用いられる。しかし、サファイアは、電気的に絶縁体であるので、発光ダイオード構造を制限する。これにより、最近、サファイアのような異種基板上に窒化物半導体層のようなエピタキシャル層を成長させ、前記エピタキシャル層に支持基板をボンディングした後、レーザリフトオフ技術等を用いて異種基板を分離し、垂直型構造の高効率発光ダイオードを製造する技術が開発されている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。
このような垂直型構造の発光ダイオードは、サファイア製の成長基板上にｎ型ＧａＮ層、活性層、及びｐ型ＧａＮ層を順次形成し、ｐ型ＧａＮ層上にｐ‐電極及び反射金属層を形成し、その上に支持基板をボンディングした後、サファイア基板を除去し、露出したｎ型半導体層上にｎ‐電極またはｎ‐電極パッドを形成することにより製造される。支持基板には、一般に導電性基板が用いられ、よって、ｎ‐電極とｐ‐電極が互いに対向して配置された垂直型構造を有する。
しかし、ｐ型ＧａＮ層にオーミックコンタクトしながら反射層として主に用いられるＡｇは、熱工程により凝集現象が生じやすく、また、発光ダイオードの駆動中にＡｇ原子の移動が発生し、リーク電流が生じやすく、安定したオーミック金属反射層を形成することが困難である。さらに、Ａｇは、反射率を向上させるのに限界があった。
図１は、従来の発光ダイオードを説明するための断面図である。図１を参照すると、従来の垂直型構造の発光ダイオードは、成長基板（図示せず）上に窒化ガリウム系ｎ型層１、活性層２、及びｐ型層３を順次形成して発光構造体４を形成し、ｐ型層３上にｐ型電極５を形成し、ｐ型電極５を、ボンディング金属６を介して、Ｓｉサブマウント７にフリップボンディングした後、成長基板を除去し、露出したｎ型層１上にｎ‐電極８を形成することにより製造される。一方、Ｓｉサブマウント７の下部面にはｎ型電極９が形成される。さらには、前記特許文献２は、露出したｎ型層１の表面にドライまたはＰＥＣ（photo electro chemical）エッチング技術を用いて粗面を形成することにより光抽出効率を向上させる。
米国特許第６，７４４，０７１号 米国特許第７，７０４，７６３号
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、活性層で生成した光が外部に出ることを改善することにより、新たな構造の高効率発光ダイオード及びその製造方法を提供することにある。
また、他の目的は、支持基板側に進行する光の反射率を向上させた高効率発光ダイオード及びその製造方法を提供することにある。
また、また他の目的は、光抽出効率を高くすることができる高効率発光ダイオード及びその製造方法を提供することにある。
本発明の実施形態による発光ダイオードは、支持基板と、前記支持基板上に位置し、ｐ型化合物半導体層、活性層、及びｎ型化合物半導体層を有し、前記ｐ型化合物半導体層が前記ｎ型化合物半導体層よりも前記支持基板側に位置する半導体積層構造体と、前記ｐ型化合物半導体層及び前記活性層を少なくとも二領域に分け、前記ｎ型化合物半導体層を露出する開口部と、前記ｎ型化合物半導体層の露出面と前記開口部の側壁とを覆う絶縁層と、前記絶縁層及び前記ｐ型化合物半導体層を覆い、前記ｐ型化合物半導体層にオーミックコンタクトする透明電極層と、前記透明電極層を覆って形成され、前記活性層から前記支持基板側に向かう光を反射させる反射絶縁層と、前記反射絶縁層を覆って形成されるｐ‐電極と、前記ｎ型化合物半導体層の上部に形成されたｎ‐電極と、を備える。前記反射絶縁層は、前記透明電極層を露出させるように一部が除去され、前記ｐ‐電極は、前記露出した前記透明電極層に電気的に接続される。
前記発光ダイオードは、ｐ‐電極バッドをさらに備え、前記ｐ‐電極の一部が前記半導体積層構造体の外部に露出し、前記ｐ‐電極パッドは、前記露出したｐ‐電極上に位置してもよい。
前記反射絶縁層は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であってもよい。前記反射絶縁層は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＳｎから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含んでもよい。具体的に、前記反射絶縁層は、ＳｉｘＯｙＮｚ、ＴｉｘＯｙ、ＴａｘＯｙ、及びＮｂｘＯｙから選ばれた少なくとも二つの層を交互に積層して形成してもよい。
前記発光ダイオードは、前記ｐ‐電極と前記支持基板との間に位置するボンディング金属をさらに含んでもよい。前記ボンディング金属が前記半導体積層構造体を前記支持基板に結合させる。
前記透明電極層は、好ましくは、透明金属または透明導電性酸化膜であってもよい。
前記反射絶縁層は、前記透明電極層を露出させる複数の開口部を有してもよく、前記ｐ‐電極は、前記複数の開口部を充填してもよい。
前記開口部の幅は、前記ｎ型化合物半導体層に向かうほど狭くなるようにしてもよい。これにより、活性層で生成した光が効果的に反射絶縁層によって反射され得る。
前記半導体積層構造体は、前記ｎ型化合物半導体層の上部表面に複数の第１突出部が形成され、前記複数の第１突出部上を覆う誘電物質が形成されてもよい。
前記誘電物質の上部表面は、複数の第２突出部を有するようにしてもよい。
前記複数の第１突出部は、六角形ピラミッド状を有し、且つ、前記複数の第２突出部は、円錐状を有してもよい。
前記複数の第２突出部の少なくとも一つは、前記複数の第１突出部の少なくとも二つを覆ってもよい。
前記ｎ型化合物半導体層の上部表面は、前記誘電物質の上部表面より高い粗面を有するようにしてもよい。
前記複数の第１突出部は、ＰＥＣエッチングによって形成されてもよい。
本発明の他の側面による発光ダイオードの製造方法は、成長基板上に、ｎ型化合物半導体層、活性層、及びｐ型化合物半導体層を有するエピ層を成長させ、前記ｐ型化合物半導体層及び活性層をエッチングし、ｎ型化合物半導体層を露出する開口部を形成し、前記ｎ型化合物半導体層の露出面と前記開口部の側壁とを覆う絶縁層を形成し、前記絶縁層及び前記ｐ型化合物半導体層を覆う透明電極層を形成し、前記透明電極層を覆って反射絶縁層を形成し、前記透明電極層を露出するために、反射絶縁層の一部を除去し、前記反射絶縁層上にｐ‐電極を覆って形成し、前記ｐ‐電極上にボンディング金属を介して支持基板をボンディングし、前記成長基板を除去することを含む。前記ｐ‐電極は、前記露出した前記透明電極層に電気的に接続される。前記反射絶縁層は、分布ブラッグ反射器であってもよい。
本発明のまた他の側面によると、支持基板と、前記支持基板上に位置し、ｐ型化合物半導体層、活性層、及びｎ型化合物半導体層を有する半導体積層構造体と、前記支持基板と前記半導体積層構造体との間に位置し、前記半導体積層構造体にオーミックコンタクトし、前記半導体積層構造体の外部に露出した領域を有する第１電極と、前記第１電極の外部に露出した領域上に位置し、前記第１電極に電気的に接続された第１ボンディングパッドと、前記半導体積層構造体上に位置する第２電極と、を備え、前記半導体積層構造体の上部表面に複数の第１突出部が形成され、前記複数の第１突出部上を覆う誘電物質が形成されることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
前記半導体積層構造体の上部表面は、前記誘電物質の上部より高い粗面を有するようにしてもよい。
前記誘電物質の上部表面は、複数の第２突出部を有すするようにしてもよい。
前記複数の第２突出部の少なくとも 一つは、前記複数の第１突出部の少なくとも二つを覆っていてもよい。
前記複数の第１突出部は、六角形ピラミッド状を有し、前記複数の第２突出部は、円錐状を有してもよい。
前記複数の第１突出部は、ＰＥＣエッチングによって形成されてもよい。
前記支持基板は、導電性である必要がなく、例えば、サファイア基板であってもよい。堅固なサファイア基板を支持基板として用いることにより、発光ダイオードの変形を防止することができる。
一方、前記第１電極は、反射層を有してもよく、さらには、前記反射層を保護するための保護金属層を有してもよい。また、前記反射層は、前記保護金属層と前記半導体積層構造体との間に埋め立てられ、前記保護金属層が前記半導体積層構造体の外部に露出してもよい。
前記ｐ型化合物半導体層がｎ型化合物半導体層よりも支持基板側に近く位置してもよく、前記第１電極は、ｐ型化合物半導体層にオーミックコンタクトしてもよい。
本発明によると、活性層で生成した光を反射絶縁層によって反射させることにより、光放出経路を短縮し、光抽出効率を向上させることができる高効率発光ダイオードを提供することができる。また、反射絶縁層を採用することにより、支持基板側に進行する光の反射率を向上させた高効率発光ダイオードを提供することができる。さらに、前記反射絶縁層を分布ブラッグ反射器で形成することにより、活性層で生成する光の波長に対応して反射率を最適化することができる。
また、本発明によると、電流遮断領域を形成することにより、ｎ側電極の直下方向に電流が集中する傾向を減少させ、ｎ側とｐ側との電極間の電流を側方向に誘導させ、ｎ側とｐ側との電極間の電流を効果的に大きくすることにより、発光ダイオードの発光効率と静電気耐圧を向上させることができる。
また、本発明によると、ｎ型化合物半導体層の表面をＰＥＣエッチングし、そのエッチング表面上に誘電物質を形成し、誘電物質の形成表面を形成すると、表面に形成された突出部の傾斜角度が緩和され、表面での光抽出効率を向上させることができる。これにより、活性層で生成した光のうち、内部に全反射される光が少なくなり、外部により多くの光を放出させることができる。
従来技術による垂直型構造の発光ダイオードを説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードを説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードを説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードを説明するための平面図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるｐ‐電極パッドが半導体積層構造体の外部に形成された高効率発光ダイオードを説明するための図である。 本発明の他の実施形態による発光ダイオードを説明するための断面図である。 図１５における発光ダイオードの一部の表面を拡大した図である。 誘電物質により緩和された傾斜角度を有する粗面を示すＳＥＭ写真である。 誘電物質により緩和された傾斜角度を有する粗面を示すＳＥＭ写真である。 誘電物質が除去された状態の急な傾斜角度を有する粗面を示すＳＥＭ写真である。 誘電物質が除去された状態の急な傾斜角度を粗面を示すＳＥＭ写真である。 本発明のまた他の実施形態による発光ダイオードを説明するための断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による発光ダイオードを説明するための断面図である。
以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述する。以下に紹介される実施形態は、本発明の思想を当業者に十分に伝えるために、例として提供されるものである。従って、本発明は、後述する実施形態に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、説明の便宜のために誇張して表現されることもある。
図２は、本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードを説明するための断面図であり、図３は、本発明の一実施形態による高効率発光ダイオードを説明するための斜視図であり、図４は、平面図である。
図２乃至図４を参照すると、本実施形態に係る本発明の発光ダイオードは、支持基板５１、半導体積層構造体３０、開口部３１、絶縁層３２、透明電極層３３、反射絶縁層３４、ｐ‐電極４１、ボンディング金属４２、ｎ‐電極４５を備える。
支持基板５１は、化合物半導体層２３、２５、２７を成長させるための成長基板（図示せず）とは異なり、既に成長された化合物半導体層２３、２５、２７に付着した２次基板である。前記支持基板５１は、サファイア基板であってもよいが、これに限定されるものではなく、他種の絶縁または導電基板であってもよい。例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ‐Ａｌ、ＣｕＷのいずれか一つであってもよい。特に、成長基板としてサファイア基板またはＣｕＷを用いる場合、成長基板と同一の熱膨張係数を有するので、支持基板５１をボンディングして成長基板を除去するとき、ウエハの反りを防止することができて好ましい。
半導体積層構造体３０は、支持基板５１上に位置し、ｐ型化合物半導体層２７、活性層２５、及びｎ型化合物半導体層２３を有する。ここで、半導体積層構造体３０は、一般の垂直型発光ダイオードと同様に、ｐ型化合物半導体層２７がｎ型化合物半導体層２３に比べて支持基板５１側に近く位置する。半導体積層構造体３０は、支持基板５１の一部領域上に位置してもよい。
ｎ型化合物半導体層２３、活性層２５、及びｐ型化合物半導体層２７は、III‐Ｎ系化合物半導体、例えば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ半導体で形成されてもよい。ｎ型化合物半導体層２３及びｐ型化合物半導体層２７は、それぞれ単一層または多重層であってもよい。例えば、ｎ型化合物半導体層２３及び／またはｐ型化合物半導体層２７は、コンタクト層とクラッド層とを含んでもよく、また超格子層を含んでもよい。また、前記活性層２５は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であってもよい。抵抗が相対的に小さなｎ型化合物半導体層２３が、支持基板５１の反対側に位置することにより、ｎ型化合物半導体層２３の上部面に粗面を形成しやすく、粗面は、活性層２５で生成した光の抽出効率を向上させる。
開口部３１は、ｐ型化合物半導体層２７及び活性層２５を通じてｎ型化合物半導体層２３を露出させ、ｐ型化合物半導体層２７及び活性層２５を少なくとも二領域に分ける。開口部３１は、トレンチ、グループまたはホールで形成されてもよく、複数個形成されてもよい。例えば、開口部３１は、トレンチで形成され、図３に示すように、ｐ型化合物半導体層２７及び活性層２５を四つの領域に分ける。以外にも、開口部３１は、複数個のホールがマトリクス状に配置されてもよい。したがって、本発明が、開口部３１の個数や開口部３１の特定の形状に制限されるのではないことを理解すべきである。
絶縁層３２は、ｎ型化合物半導体層２３の露出面と前記開口部３１の側壁とを覆う。絶縁層３２は、例えば、シリコン窒化物、シリコン酸化物又はそれらの積層物のいずれか一つであってもよい。絶縁層３２は、透明電極層３３とｎ型化合物半導体層２３、活性層２５、及びｐ型化合物半導体層２７を絶縁する。
また、絶縁層３２は、半導体積層構造体３０の内部に形成され、電流遮断機能を有する。すなわち、絶縁層３２は、ｎ型化合物半導体層２３とｐ‐電極４１との間に流れる電流の方向を、ｎ型化合物半導体層２３の直下方向ではなく、側方向に分散させることにより、電流集中現象を緩和することができる。
透明電極層３３は、絶縁層３２及びｐ型化合物半導体層２７を覆って形成される。透明電極層３３は、ｐ型化合物半導体層２７にオーミックコンタクトする。透明電極層３３は、Ｎｉ／Ａｕのような透明金属、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ等のような透明導電性酸化膜または反射金属で形成されてもよい。以外にも、透明電極層３３は、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはニッケル（Ｎｉ）の少なくとも一つの金属物質を含んで形成されてもよい。透明電極層３３は、一つの層からなってもよく、複数の層からなってもよい。例えば、白金（Ｐｔ）を第１層に形成し、その上に銀（Ａｇ）を第２層に形成してもよい。
反射絶縁層３４は、透明電極層３３を覆って形成する。反射絶縁層３４は、活性層２５から支持基板５１側に向かう光を反射させる。反射絶縁層３４は、透明電極層３３を露出する複数の開口部３４ａを有するように形成されてもよい。
反射絶縁層３４は、ＡｌやＡｇよりも反射率の高い絶縁層で形成され、例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＳｎから選択された少なくとも一つ以上の元素を含んでもよい。また、反射絶縁層３４は、ＳｉｘＯｙＮｚ、ＴｉｘＯｙ、ＴａｘＯｙ、及びＮｂｘＯｙから選ばれた少なくとも二つの層を交互に積層して形成してもよく、分布ブラッグ反射器であってもよい。分布ブラッグ反射器は、交互に積層される高屈折率層及び低屈折率層の光学厚さを調節し、特定波長の光に対する反射率を極大化することができる。したがって、活性層２５で生成した光の波長に応じて反射率を最適化した分布ブラッグ反射器を形成することにより、例えば、紫外線、可視光線、または赤外線に対する高い反射率を有する反射絶縁層３４を形成することができる。好ましくは、反射絶縁層３４を形成するとき、ＳｉｘＯｙＮｚ層を透明電極層３３と接触する最外殻の絶縁層として用いることができる。これは、透明電極層３３とＳｉｘＯｙＮｚ層との接着力が透明電極層３３と ＴｉｘＯｙ、ＴａｘＯｙ、またはＮｂｘＯｙとの接着力よりも高いので、反射絶縁層３４と透明電極層３３との間の剥離現象を防止することができる。
前記反射絶縁層３４によって、半導体積層構造体３０の内部で進行する光を反射させることができる。したがって、半導体積層構造体３０の内部で光の経路を短縮させることができ、光損失を減少させることができる。特に、開口部３１内の反射絶縁層３４によって光抽出を向上させるために、前記開口部３１の幅がｎ型化合物半導体層２３に向かうほど狭くなるように形成されてもよい。
ｐ‐電極４１は、反射絶縁層３４を覆って形成される。ｐ‐電極４１は、例えば、反射金属で形成されてもよい。前記ｐ‐電極４１の一部は、半導体積層構造体３０の外部に露出してもよい。
一方、ｎ‐電極４５がｎ型化合物半導体層２３の上部に形成される。ｎ‐電極４５は、ｎ型化合物半導体層２３にオーミックコンタクトすることができる。
ボンディング金属４２は、支持基板５１とｐ‐電極４１との間に位置してもよい。ボンディング金属４２は、Ａｕ‐Ｓｎで形成されてもよく、共晶接合(Eutectic Bonding)によって支持基板５１を半導体積層構造体３０に接着する。
本実施形態によると、ＡｌやＡｇに比べて、工程安定性に優れ、反射率の高い反射絶縁層３４を採用し、支持基板５１側に進行する光の反射率を高めることにより、光抽出効率の高い高効率発光ダイオードを提供することができる。
以下、図５乃至図１３を参照して、本発明による高効率発光ダイオードの製造方法について簡略に説明する。
図５を参照すると、サファイア基板のような成長基板２１上に、ｎ型化合物半導体層２３、活性層２５、及びｐ型化合物半導体層２７を有するエピタキシャル層３０を成長させる。
図６を参照すると、ｐ型化合物半導体層２７及び活性層２５をエッチングして、ｎ型化合物半導体層２３を露出させる開口部３１を形成する。開口部３１は、メッシュ状のように、ｎ型化合物半導体層２３を露出させる複数の開口部を有してもよい。
図７を参照すると、ｎ型化合物半導体層２３の露出面と開口部３１の側壁とを覆う絶縁層３２を形成する。絶縁層３２は、開口部３１内の側壁を覆う。絶縁層３２は、開口部３１の床面、すなわち、ｎ型化合物半導体層２３も覆う。
図８を参照すると、前記絶縁層３２及びｐ型化合物半導体層２７を覆う透明電極層３３を形成する。
図９を参照すると、透明電極層３３を覆って反射絶縁層３４を形成する。反射絶縁層３４は、ＡｌやＡｇよりも反射率の高い絶縁層が用いられてもよい。例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＳｎから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含んでもよい。反射絶縁層３４は、ＳｉｘＯｙＮｚ、ＴｉｘＯｙ、ＴａｘＯｙ、及びＮｂｘＯｙから選ばれた少なくとも二つの層を交互に積層して形成されてもよく、分布ブラッグ反射器であってもよい。分布ブラッグ反射器は、交互に積層される高屈折率層及び低屈折率層の光学厚さを調節し、特定波長の光に対する反射率を極大化することができる。
図１０を参照すると、透明電極層３３を露出させるために、反射絶縁層３４の一部を除去する。すなわち、反射絶縁層３４に透明電極層３３を露出する複数の開口部３４ａを形成する。前記開口部３４ａは、前記絶縁層３２の上部に沿って形成されてもよい。さらに、前記開口部３４ａは、透明電極層３３を通じて形成されてもよい。
図１１を参照すると、反射絶縁層３４上にｐ‐電極４１を覆って形成する。この際、ｐ‐電極４１は、反射絶縁層３４に形成された複数の開口部３４ａを充填してもよい。これにより、ｐ‐電極４１は、露出した透明電極層３３に電気的に接続される。
図１２を参照すると、前記ｐ‐電極４１にボンディングのための金属層が形成され、支持基板５１にボンディングのための金属層がさらに形成され、これらの金属層を互いにボンディングする。これにより、前記ボンディングのための金属層によってボンディング金属４２が形成され、支持基板５１が化合物半導体層２３、２５、２７にボンディングされる。
図１３を参照すると、レーザリフトオフ技術等を用いて成長基板２１を除去し、ｎ型化合物半導体層２３を露出する。その後、露出したｎ型化合物半導体層２３の上部にｎ‐電極４５を形成し、個別の発光ダイオードチップに分割し、図２に示した発光ダイオードが完成する。
図１４は、本発明の一実施形態によるｐ‐電極パッドが半導体積層構造体の外部に形成された高効率発光ダイオードを説明するための図である。
図１４を参照すると、図２に示した発光ダイオードの構造と同様であるが、但し、支持基板５１、ボンディング金属４２、ｐ‐電極４１が半導体積層構造体３０よりも長く延長されている。これにより、ｐ‐電極４１が半導体積層構造体３０の外部に露出している。外部に露出したｐ‐電極４１の上部には、ｐ‐電極パッド４３が形成されている。
図１５は、本発明の他の実施形態による発光ダイオードを説明するための断面図であり、図１６は、図１５における発光ダイオードの一部の表面Ａを拡大した図である。
図１５及び図１６を参照すると、前記発光ダイオードは、支持基板１７１、ボンディング金属１７３、半導体積層構造体１５０、ｐ‐電極１５９、１６１、ｎ‐電極１６９、ｐ‐ボンディングパッド１６５を備える。
支持基板１７１は、化合物半導体層を成長させるための成長基板とは異なり、既に成長した化合物半導体層に付着した二次基板である。支持基板１７１は、サファイア基板であってもよいが、これに限定されるものではなく、他種の絶縁または導電基板であってもよい。特に、成長基板としてサファイア基板を用いる場合、成長基板と同一の熱膨張係数を有するので、支持基板をボンディングし、成長基板を除去するとき、ウエハの反りを防止することができ、さらに半導体積層構造体１５０を堅固に支持することができる。
半導体積層構造体１５０は、支持基板１５１上に位置し、ｐ型化合物半導体層１５７、活性層１５５、及びｎ型化合物半導体層１５３を有する。ここで、半導体積層構造体１５０は、一般の垂直型発光ダイオードと同様に、ｐ型化合物半導体層１５７がｎ型化合物半導体層１５３に比べて支持基板１７１側に近く位置する。半導体積層構造体１５０は、支持基板１７１の一部領域上に位置する。すなわち、支持基板１７１が半導体積層構造体１５０に比べて相対的に大きな面積を有し、半導体積層構造体１５０は、支持基板１７１の周縁で取り囲んだ領域内に位置する。
ｎ型化合物半導体層１５３、活性層１５５、及びｐ型化合物半導体層１５７は、III‐Ｎ系化合物半導体、例えば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ半導体で形成されてもよい。ｎ型化合物半導体層１５３及びｐ型化合物半導体層１５７は、それぞれ単一層または多重層であってもよい。例えば、ｎ型化合物半導体層１５３及び／またはｐ型化合物半導体層１５７は、コンタクト層とクラッド層とを含んでもよく、また超格子層を含んでもよい。また、前記活性層１５５は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であってもよい。抵抗が相対的に小さなｎ型化合物半導体層１５３が、支持基板１７１の反対側に位置することにより、ｎ型化合物半導体層１５３の上部面に粗面を形成しやすく、粗面は、活性層１５５で生成した光の抽出効率を向上させる。
ｎ型化合物半導体層１５３は、表面に誘電物質１６４が形成された粗面を有してもよい。図１６に示すように、ｎ型化合物半導体層１５３の上部の表面をエッチングして複数の突出部１６３が形成されている。誘電物質１６４は、複数の突出部１６３を覆ってｎ型化合物半導体層１５３の上部に形成されている。誘電物質１６４は、プラズマＣＶＤ法、蒸着法など公知の方法で形成され得る。
ｐ‐電極１６０は、ｐ型化合物半導体層１５７と支持基板１７１との間に位置し、ｐ型化合物半導体層１５７にオーミックコンタクトする。ｐ‐電極１６０は、反射層１５９及び保護金属層１６１を有してもよく、反射層１５９が半導体積層構造体１５０と支持基板１７１との間に埋め込まれるように、保護金属層１６１が反射層１５９を取り囲んでもよい。前記反射層１５９は、例えば、Ａｇのような反射金属で形成されてもよく、保護金属層１６１は、例えば、Ｎｉで形成されてもよい。前記ｐ‐電極、例えば、前記保護金属層１６１は、支持基板１７１の全面上に位置してもよく、したがって、前記保護金属層１６１は、半導体積層構造体１５０の外部に露出した領域を有する。
半導体積層構造体１５０の外部に露出したｐ‐電極、例えば、保護金属層１６１上にｐ型ボンディングパッド１６５が位置してもよい。前記ｐ型ボンディングパッド１６５は、 反射層１５９及び保護金属層１６１を介してｐ型化合物半導体層１５７に電気的に接続する。
一方、ボンディング金属１７３は、支持基板１７１とｐ‐電極１６０との間に位置し、半導体積層構造体１５０と支持基板１７１を結合させる。ボンディング金属１７３は、例えば、Ａｕ‐Ｓｎにより、共晶接合を用いて形成されてもよい。
ｐ‐電極１６０は、ボンディング金属１７３を介して支持基板１７１にフリップボンディングされ、ｎ型化合物半導体層１５３は、成長基板の除去により露出する。
一方、ｎ‐電極１６９は、半導体積層構造体１５０上に位置し、成長基板の除去により露出したｎ型化合物半導体層１５３に電気的に接続される。
露出したｎ型化合物半導体層１５３は、乾式またはＰＥＣエッチング技術を用いて、表面に粗面を有し、光抽出効率を向上させることになる。
粗面は、ＰＥＣエッチングによって形成されてもよい。すなわち、ｎ型化合物半導体層１５３の表面に、乾式またはＰＥＣエッチング技術を用いて粗面を形成することにより、光抽出効率を向上させることができる。
ＰＥＣエッチングは、発光ダイオードに、ＧａＮのエネルギーバンドギャップよりもエネルギーの大きな紫外線領域の光を当てながら、水溶液の状態で行われてもよい。ＰＥＣエッチングは、例えば、ＫＯＨ溶液を電解液として、Ｘｅランプを光源として用い、ＰＥＣエッチングを行うことができる。この際、ＫＯＨ溶液には、酸化剤とＧａ２Ｏ３のような中間体をエッチングするエッチャントが含まれてもよい。一方、光源としては、Ｈｇランプが用いられてもよい。これにより、ｎ型化合物半導体層１５３の表面がエッチングされる。ｎ型化合物半導体層１５３の表面がエッチングされるのは、半導体層の結晶性方向に関係する。すなわち、ＰＥＣエッチングは、半導体層の表面に複数の突出部１６３を形成する。複数の突出部１６３は、半導体層の表面の結晶方向の差によって形成される。
結晶性を有する化合物半導体層に対してＰＥＣエッチングを行う場合、表面の結晶方向に応じて、エッチングの進行速度が異なる。これにより、表面において、物質の結晶面に沿ってエッチングが進行し、結果として結晶面が現れるようにエッチングが行われる。
この過程中で、複数の突出部１６３は、ピラミッド状に形成される。ＧａＮの１０‐１‐１面は安定するので、複数の突出部１６３は、一般に六角形のピラミッド状を有する。また、表面に形成される複数の突出部１６３は、ＧａＮ内に存在する結晶欠陥と関連している。このため、表面には、様々な形態の複数の突出部１６３が形成され、またはこのような複数の突出部１６３が形成されていない表面が存在するようになる。
一方、誘電物質１６４は、複数の突出部１６３を覆うに形成形成される。このときに用いられる誘電物質１６４としては、ＳｉＯ２、ＴａＯ２、Ｓｉ２Ｎ２のような物質が用いられてもよい。
誘電物質１６４の表面は、ｎ型化合物半導体層１５３に形成された任意の複数の突出部１６３の傾斜角度よりも、 誘電物質１６４の表面に形成された 突出部１６６の傾斜角度が緩和されていることが分かる。
突出部１６３は、六角形ピラミッド状を有する。 突出部１６６は、円錐状を有する。 誘電物質１６４に形成された一つの突出部１６６は、ｎ型化合物半導体層１５３の表面に形成された少なくとも二つの突出部１６３を覆って形成されてもよい。すなわち、ＰＥＣエッチング過程で、突出部１６３が割れまたは不規則に合わせられることがあるが、このような 突出部１６３の割れや合わせが誘電物質１６４によって一つの突出部１６６に均一となり得る。これだけでなく、図示していないが、誘電物質１６４の表面は、ｎ型化合物半導体層１５３表面の平らな床面にさらに突出して形成された追加の突出部１６６を有してもよい。
突出部１６６及び 突出部１６３は、ｎ型化合物半導体層１５３の表面に形成された 突出部１６３の傾斜角度よりも、誘電物質１６４に形成された突出部１６６の傾斜角度が緩和されていることが分かる。これにより、活性層１５５で生成した光のうち、内部に全反射される光が少なくなり、外部にさらに多くの光が放出され得る。
図１７及び図１８は、本発明の一実施形態による発光ダイオードの表面を示すものであり、誘電物質により緩和された傾斜角度を有する粗面を示すＳＥＭ写真である。
図１７及び図１８を参照すると、発光ダイオードの表面に多数の突出部が形成されているが、各突出部は、端部の形状が緩和されており、円形の形状を有しており、全体として傾斜が緩和された形態を有していることが分かる。
図１９及び図２０は、誘電物質が除去された状態の急な傾斜角度を有する粗面を示すＳＥＭ写真である。
図１９及び図２０を参照すると、誘電物質が形成されておらず、ＰＥＣエッチングにより形成された多数の突出部を有している 粗面が見られる。各突出部の形状をみると、全体として端部が鋭いことが分かる。
このように、ｎ型化合物半導体層の表面をＰＥＣエッチングし、そのエッチング表面上に誘電物質を形成して誘電物質の形成表面を形成すると、表面に形成された突出部の傾斜角度が緩和され、表面での光抽出効率を向上させることができる。これにより、活性層で生成した光のうち、内部に全反射される光が少なくなり、外部にさらに多くの光が放出され得る。
図２１は、本発明のまた他の実施形態による発光ダイオードを説明するための断面図である。
図２１を参照すると、本発明のまた他の実施形態による発光ダイオードは、図２に示した発光ダイオードの構造と同様である。但し、ｎ型化合物半導体層２３の上部表面には、複数の突出部が形成されている。発光ダイオードの一部表面Ｂを拡大した図からみられるように、複数の突出部は、エッチング表面６３と、エッチング表面６３上に形成された誘電物質の形成表面６４を有している。エッチング表面６３及び誘電物質の形成表面６４の形状及び特性については、図１５及び図１６を参照して説明したとおりである。
図２２は、本発明のさらに他の実施形態による発光ダイオードを説明するための断面図である。
図２２を参照すると、本発明のさらに他の実施形態による発光ダイオードは、図１４に示した発光ダイオードの構造と同様である。但し、ｎ型化合物半導体層２３の上部表面には、複数の突出部が形成されている。発光ダイオードの一部表面Ｃを拡大した図からみられるように、複数の突出部は、エッチング表面６３と、エッチング表面６３上に形成された誘電物質の形成表面６４を有している。エッチング表面６３及び誘電物質の形成表面６４の形状及び特性については、図１５及び図１６を参照して説明したとおりである。
本発明のいくつかの実施形態について例示的に説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で、様々な修正及び変形が可能である。したがって、上述した実施形態は、本発明の技術思想を限定するものではなく、単にさらなる理解のための説明であるものと理解されなければならない。本発明の権利範囲は、これらの実施形態により限定されず、特許請求の範囲により解釈され、それと同等な範囲内にある技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。
例えば、上述した実施形態において、ｐ型化合物半導体層１５７がｎ型化合物半導体層１５３に比べて支持基板１７１側に近く位置するものと説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、その逆の配置であってもよい。この場合、ｎ‐電極１６９とｐ‐電極１５９，１６１及びｐ型ボンディングパッド１６５は、極性が互いに変わる。
２１ 成長基板
２３ ｎ型化合物半導体層
２５ 活性層
２７ ｐ型化合物半導体層
３０ 半導体積層構造体
３１ 開口部
３２ 絶縁層
３３ 透明電極層
３４ 反射絶縁層
３４ａ 開口部
４１ ｐ‐電極
４２ ボンディング金属
４３ ｐ‐電極パッド
４５ ｎ‐電極
５１ 支持基板

Claims (27)

  1. 支持基板と、
    前記支持基板上に位置し、ｐ型化合物半導体層、活性層、及びｎ型化合物半導体層を有し、前記ｐ型化合物半導体層が前記ｎ型化合物半導体層よりも前記支持基板側に位置する半導体積層構造体と、
    前記ｐ型化合物半導体層及び前記活性層を少なくとも二領域に分け、前記ｎ型化合物半導体層を露出する開口部と、
    前記ｎ型化合物半導体層の露出面と前記開口部の側壁とを覆う絶縁層と、
    前記絶縁層及び前記ｐ型化合物半導体層を覆い、前記ｐ型化合物半導体層にオーミックコンタクトする透明電極層と、
    前記透明電極層を覆って形成され、前記活性層から前記支持基板側に向かう光を反射させる反射絶縁層と、
    前記反射絶縁層を覆って形成されるｐ‐電極と、
    前記ｎ型化合物半導体層の上部に形成されたｎ‐電極と、を備え、
    前記反射絶縁層は、前記透明電極層を露出するように一部が除去され、前記ｐ‐電極は、前記露出した前記透明電極層に電気的に接続されることを特徴とする発光ダイオード。
  2. ｐ‐電極バッドをさらに備え、前記ｐ‐電極の一部が前記半導体積層構造体の外部に露出し、前記ｐ‐電極パッドは、前記露出したｐ‐電極上に位置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。
  3. 前記反射絶縁層は、分布ブラッグ反射器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。
  4. 前記反射絶縁層は、ＳｉｘＯｙＮｚ、ＴｉｘＯｙ、ＴａｘＯｙ、及びＮｂｘＯｙから選ばれた少なくとも二つの層を交互に積層して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
  5. 前記反射絶縁層は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｉｎ、及びＳｎから選ばれた少なくとも一つ以上の元素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。
  6. 前記ｐ‐電極と前記支持基板との間に位置するボンディング金属をさらに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。
  7. 前記透明電極層は、透明金属または透明導電性酸化膜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。
  8. 前記反射絶縁層は、前記透明電極層を露出する複数の開口部を有し、前記ｐ‐電極は、前記複数の開口部を充填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。
  9. 前記開口部の幅は、前記ｎ型化合物半導体層に向かうほど狭く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。
  10. 前記半導体積層構造体は、前記ｎ型化合物半導体層の上部表面に複数の第１突出部が形成され、
    前記複数の第１突出部上を覆う誘電物質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。
  11. 前記誘電物質の上部表面は、複数の第２突出部を有することを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード。
  12. 前記複数の第１突出部は、六角形ピラミッド状を有し、且つ、前記複数の第２突出部は、円錐状を有することを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
  13. 前記複数の第２突出部の少なくとも一つは、前記複数の第１突出部の少なくとも二つを覆っていることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
  14. 前記ｎ型化合物半導体層の上部表面は、前記誘電物質の上部表面より高い粗面を有することを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード。
  15. 前記複数の第１突出部は、ＰＥＣエッチングによって形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード。
  16. 成長基板上に、ｎ型化合物半導体層、活性層、及びｐ型化合物半導体層を有するエピタキシャル層を成長させ、
    前記ｐ型化合物半導体層及び活性層をエッチングし、ｎ型化合物半導体層を露出する開口部を形成し、
    前記ｎ型化合物半導体層の露出面と前記開口部の側壁を覆う絶縁層を形成し、
    前記絶縁層及び前記ｐ型化合物半導体層を覆う透明電極層を形成し、
    前記透明電極層を覆って反射絶縁層を形成し、
    前記透明電極層を露出するために、反射絶縁層の一部を除去し、
    前記反射絶縁層上にｐ‐電極を覆って形成し、
    前記ｐ‐電極上にボンディング金属を介して支持基板をボンディングし、
    前記成長基板を除去すること、を含み、
    前記ｐ‐電極は、前記露出した前記透明電極層に電気的に接続されることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
  17. 前記反射絶縁層は、分布ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオードの製造方法。
  18. 支持基板と、
    前記支持基板上に位置し、ｐ型化合物半導体層、活性層、及びｎ型化合物半導体層を有する半導体積層構造体と、
    前記支持基板と前記半導体積層構造体との間に位置し、前記半導体積層構造体にオーミックコンタクトし、前記半導体積層構造体の外部に露出した領域を有する第１電極と、
    前記第１電極の外部に露出した領域上に位置し、前記第１電極に電気的に接続された第１ボンディングパッドと、
    前記半導体積層構造体上に位置する第２電極と、を備え、
    前記半導体積層構造体の上部表面に複数の第１突出部が形成され、
    前記複数の第１突出部上を覆う誘電物質が形成されることを特徴とする発光ダイオード。
  19. 前記半導体積層構造体の上部表面は、前記誘電物質の上部より高い粗面を有することを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
  20. 前記誘電物質の上部表面は、複数の第２突出部を有することを特徴とする請求項１９に記載の発光ダイオード。
  21. 前記複数の第２突出部の少なくとも一つは、前記複数の第１突出部の少なくとも二つを覆っていることを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
  22. 前記複数の第１突出部は、六角形ピラミッド状を有し、且つ、前記複数の第２突出部は、円錐状を有することを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
  23. 前記複数の第１突出部は、ＰＥＣエッチングによって形成されることを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
  24. 前記支持基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
  25. 前記第１電極は、反射層と、前記反射層を保護するための保護金属層とを有することを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
  26. 前記反射層は、前記保護金属層と前記半導体積層構造体との間に埋め込まれ、前記保護金属層が前記半導体積層構造体の外部に露出していることを特徴とする請求項２５に記載の発光ダイオード。
  27. 前記第１電極は、ｐ型化合物半導体層にオーミックコンタクトすることを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
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