JP2012191208A - 広い視野角を有する発光ダイオードとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】広い視野角を有する発光ダイオードを提供する。
【解決手段】発光ダイオードは、基板１００と、複数の柱構造部と、充填構造部と、透明導電層１１２と、第１の電極１１４と、および第２の電極１１６とを有する。これらの柱構造部は前記基板上に形成される。前記柱構造部のそれぞれは第１型の半導体層１０２と、活性層１０４と、第２型の半導体層１０６とを有する。前記第１型の半導体層は前記基板上に形成される。前記柱構造部同士は前記第１型の半導体層を介して互いに電気的に接続される。前記充填構造部は前記柱構造部間に形成される。前記充填構造部及び前記柱構造部の前記第２型の半導体層は透明導電層に被われる。前記第１の電極は前記透明導電層と接続される。前記第２の電極は前記第１型の半導体層と接続される。
【選択図】図３
【解決手段】発光ダイオードは、基板１００と、複数の柱構造部と、充填構造部と、透明導電層１１２と、第１の電極１１４と、および第２の電極１１６とを有する。これらの柱構造部は前記基板上に形成される。前記柱構造部のそれぞれは第１型の半導体層１０２と、活性層１０４と、第２型の半導体層１０６とを有する。前記第１型の半導体層は前記基板上に形成される。前記柱構造部同士は前記第１型の半導体層を介して互いに電気的に接続される。前記充填構造部は前記柱構造部間に形成される。前記充填構造部及び前記柱構造部の前記第２型の半導体層は透明導電層に被われる。前記第１の電極は前記透明導電層と接続される。前記第２の電極は前記第１型の半導体層と接続される。
【選択図】図３
Description
本発明は発光ダイオードに関し、特に広い視野角を有する発光ダイオードに関する。また、本発明は、このような発光ダイオードを製造する方法に関する。本願は、2011年3月8日出願の台湾特許出願、第100107808号及び2011年10月24日出願の台湾特許出願、第100138543号のよる利益を請求するものであって、その主題は言及により、ここに組み入れられるものとする。
窒化ガリウム型の発光ダイオード（例えば、GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 発光ダイオード）においては、半導体と空気の間の界面での屈折率の違いは全反射現象の結果を生ずることがある。全反射現象によって、発光ダイオードの視野角も制限される。結果として、研究者は、発光ダイオードの視野角を増加させる方法を開発する努力をしている。
例えば、広い視野角の発光ダイオードパッケージは、米国特許公開公報、第20090085053号に開示されており、それは"広い視野角を有する発光ダイオードパッケージ"と題されている。これの内容において、パッケージ技術は、発光ダイオードパッケージの視野角を広げるように改善される。図１は、米国特許公開公報、第20090085053号に開示される従来の発光ダイオードパッケージを模式的に示している。図１に示すように、発光ダイオードパッケージは、基板３０と、LEDチップ３２と、透明な筺体３３と、蛍光材３４と、外反射部材３６とからなる。
基板３０は上面３８と下面４０を有する。さらに、基板３０上には第１電極４２と第２電極４４が配設される。LEDチップ３２は基板３０の上面３８に搭載される。さらに、LEDチップ３２は正極電極３２１と負極電極３２２を有する。LEDチップ３２の正極電極３２１は配線４６を介して基板３０の第1電極４２に接続され、LEDチップ３２の負極電極３２２は配線４６を介して基板３０の第２電極４４に接続される。
透明な筺体３３は、基板３０の上面３８に配置され、空間部３９を有する。LEDチップ３２は空間部３９内に配置される。さらに、蛍光材３４は空間部３９内に挿入される。結果として、LEDチップ３２により放出された光は、蛍光材３４を介して伝搬して白色光に変換される。白色光は透明な筺体３３の側部を介して送られる。透明な筺体３３の側部を介して送られた光は外反射部材３６により反射され、LEDチップ３２からの光の強さは増強される。
本内容にて説明したように、従来の発光ダイオードパッケージの視野角は１２０度から１４０度に拡げられている。
さらに、発光ダイオードの側壁の傾斜面による側部光の取り出しを増大させる方法は、例えば、米国特許 第６５７０１９０号、側部光の取り出し増大のための角度をもった側部を有する発光ダイオードと題するものに開示されている。図２は米国特許第６５７０１９０号に記載されるもう１つの従来の発光ダイオードパッケージを模式的に図示する。図２に示すように、発光ダイオードはｐ型とｎ型にドープされたエピタキシャル層１０からなる。ｐ型とｎ型の層１０はｐｎ接合領域１１（活性層とも呼ばれる）を形成する。透明基板１２と窓領域１３はそれぞれｐ型とｎ型にドープされたエピタキシャル層１０の両面側に位置する。上部の電気的オーミック接続部１４と底部の電気的オーミック接続部１５はそれぞれ透明基板１２と窓領域１３の表面に形成されている。上部層１７の面積は活性層１１の面積よりも大きい。さらに、発光ダイオード１６の側壁１６は垂直方向に関して角度βで配向している。
さらに、従来の発光ダイオードの側壁１６は傾斜した面を有し、横方向に発光された光線１８は複数の段で反射されることになり、反射された光線は発光ダイオードの上面１７に向かうか、発光ダイオードの上面１７で反射されるか、側壁から取り出される。
さらに、広い視野角を有する発光ダイオードを生成するためのサファイア基板は、固体電子（Solid-State Electronics）５４（２０１０）、５０９−５１５に開示されており、それは"レンズのパターンがなされたサファイア（０００１）上に形成された青色発光ダイオードチップの発光角の増大（Enhancement in emission angle of the blue LED chip fabricated on lens pattern sapphire (0001)）"と題されている。この内容においては、特別なパターンを有するサファイア基板が広い視野角を有する発光ダイオードを形成するように使用される。
本発明は広い視野角を有する発光ダイオードを提供する。柱構造によって、活性層からの光は、柱構造の中で局所的なものとされる。さらにサブ波長の表面構造を有する透明導電層により、透明導電層からの光は広い視野角を有する。
本発明の第１の実施形態は、発光ダイオードを提供する。発光ダイオードは、基板と、複数の柱構造部と、充填構造部と、透明導電層と、第１の電極と、および第２の電極とを有する。これらの柱構造部は前記基板上に形成される。前記柱構造部のそれぞれは第１型の半導体層と、活性層と、第２型の半導体層とを有する。前記第１型の半導体層は前記基板上に形成される。前記柱構造部同士は前記第１型の半導体層を介して互いに電気的に接続される。前記充填構造部は前記柱構造部間に形成される。前記充填構造部及び前記柱構造部の前記第２型の半導体層は透明導電層に被われる。前記第１の電極は前記透明導電層と接続される。前記第２の電極は前記第１型の半導体層と接続される。
本発明の第２の実施形態は、発光ダイオードの製造方法を提供する。この方法は次の工程を有する。第１に、基板が提供される。次いで、第１型の半導体層、活性層、第２型の半導体層が前記基板上に形成される。次に、フォトリソグラフィーとエッチングを行って前記基板上に複数の柱構造部を形成する。各柱構造部は、前記第１型の半導体層、前記活性層、及び前記第２型の半導体層を有する。複数の前記柱構造部は前記第１型の半導体層を介して互いに電気的に接続される。次いで、充填構造部が前記柱構造部の間に形成される。次に、透明導電体層が前記充填構造部と前記柱構造部の前記第２型の半導体層を被って形成される。その後、第１の電極が前記透明導電体層上に形成され、第２の電極が前記第１型の半導体層の上に形成される。
本発明の数多くの目的、特徴、及び効果は本発明の実施形態についての以下の詳細な説明を、添付の図面と共に読むことで明らかなものとなる。しかしながら、ここで用いられる図面は、説明の目的のためのものであって、限定するためのものではない。
本発明の上述の目的及び効果は、添付図面及び次の詳細な説明をよく読んだ後においては、当業者にとってより良く明白なものとなり得る。
従来の発光ダイオードパッケージの模式図である。
他の従来の発光ダイオードパッケージの模式図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの模式図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法の模式工程図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法の模式工程図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法の模式工程図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法の模式工程図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法の模式工程図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法の模式工程図である。
本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法の模式工程図である。
従来の発光ダイオードと本発明の発光ダイオードを比較したものを説明するＬＥＤ発光図である。
図３は本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードを模式的に示す。発光ダイオードはＬＥＤチップである。すなわち、図３に示す発光ダイオードはパッケージ化されていない。ＬＥＤチップの例は窒化ガリウム型のＬＥＤチップを含むがこれに限定はされない。
図３に示すように、発光ダイオードは基板１００と複数の柱構造部を有する。柱構造部は基板１００上に形成される。柱構造部のそれぞれは、Ｎ型層１０２、活性層１０４、Ｐ型層１０６を有する。Ｎ型層１０２は基板１００上に形成される。さらに柱構造部のＰ型層１０２はそれぞれ互いに電気的に接続される。
パッシベーション層１０８はこれらの柱構造部の側壁及びＮ型層１０２の表面上に形成される。電気的絶縁層１１０がパッシベーション層１０８の間の領域に充填される。本実施形態においては、パッシベーション層１０８と電気的絶縁層１１０は共に充填構造部を構成しても良い。さらにパッシベーション層１０８と、電気的絶縁層１１０（若しくは充填構造部）と、及び柱構造部のＰ型層１０６は透明導電体層１１２に被われ、該透明導電体層１１２はサブ波長表面構造を有する。第１の電極１１４は透明導電体層１１２のサブ波長表面構造に接触している。第２の電極１１６はＮ型層１０２に接続される。
図４Ａ乃至図４Ｇは本発明の実施形態に従う広い視野角を有する発光ダイオードの製造方法を模式的に示す。
初めに、図４Ａに示すように、Ｎ型層１０２、活性層１０４、及びＰ型層１０６が基板１００上に形成される。Ｎ型層１０２、活性層１０４、及びＰ型層１０６は所謂ｐ−ｉ−ｎ構造とされる。
図４Ｂに示すように、フォトリソグラフィーとエッチングを行って基板１００上に複数の柱構造部を形成する。これらの柱構造部は、例えば円筒形状、三角柱形状、直方体形状、六角柱形状、或いは多角柱形状の如き種々の形状とされ得る。さらに各柱構造部はｐ−ｉ−ｎ構造を有する。これら柱構造部の底部はＮ型層１０２を介して互いに電気的に接続されている。本実施形態においては、柱構造部の幅Ｄはλ／２と２０ミクロンの間の範囲（すなわち、λ／２＜Ｄ≦２０μｍ）であり、柱構造部の高さＨは０と１０ミクロンの間の範囲（すなわち、０＜Ｈ≦１０μｍ）であって、ここでλは発光ダイオードから発光される光の波長である。
図４Ｃに示すように、パッシベーション層１０８がこれらの柱構造部の側壁及びＮ型層１０２の表面に光増強ウエット酸化法、高温酸化法、原子層成長法、若しくは化学気相成長法により形成される。本実施形態においては、パッシベーション層１０８は、化学式（ＡｌｘＩｎｙＧａｚ）２−δＯ３、但しｘ＋ｙ＋ｚ＝１で、０≦δ＜１、を有する第１の誘電体材料からなる。
次に、図４Ｄに示すように、第２の誘電体材料はパッシベーション層１０８の側壁の間の領域に充填されて、電気絶縁層１１０として用いられる。その第２の誘電体材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、若しくは酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）である。パッシベーション層１０８及び電気絶縁層１１０は併せて充填構造部とされる。
次に、図４Ｅに示すように、パッシベーション層１０８、電気絶縁層１１０、柱構造部のＰ型層１０６が第３の誘電体材料に覆われ、その第３の誘電体材料は透明導電層１１１として用いられる。例えば、第３の誘電体層は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（Ｓｎ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）若しくは酸化ニッケル（ＮｉＯｘ 但し０≦ｘ＜１）である。透明導電層１１１の屈折率ｎは１と２の間の範囲（すなわち、１＜ｎ＜２）にある。
図４Ｆに示すように、フォトリソグラフィーとエッチングを行って透明導電層１１１を一部除去し、サブ波長表面構造を有する透明導電層１１２を形成する。本実施形態では、サブ波長表面構造の高さｈは、零から２ミクロンの範囲（すなわち、０＜ｈ≦２μｍ）であり、サブ波長表面構造の幅ｄは、零から５００ナノメートルの範囲（すなわち、０＜ｄ≦５００ｎｍ）である。
次に、図４Ｇに示すように、第１の電極１１４が透明導電層１１２のサブ波長表面構造と接続するように形成され、第２の電極１１６がＮ型層１０２と接続するように形成される。
本実施形態においては、柱構造の全体としての分配されている面積は、基板１００の面積よりも約２０〜３０大きくされている。柱構造部は光ファイバーのコア部として考えられ、パッシベーション層１０８は光ファイバーのクラッド部として考えられる。結果として、活性層１０４からの光は柱構造内で局所化される。透明導電層１１２のサブ波長表面構造の回折や散乱のおかげで、発光ダイオードは広げられた視野角を有する。さらに電気絶縁層１１０は、発光ダイオードへの漏れ電流を１０−９Ａに減らす効果がある。
図５は従来の発光ダイオードと本発明の発光ダイオードを比較したものを説明するＬＥＤ発光図である。本実施形態において、発光ダイオードはＩｎＧａＮの発光ダイオードである。曲線Ｉは従来の発光ダイオードの発光分布を示す。曲線ＩＩは本発明の、幅Ｄ＝１μｍの柱構造の発光ダイオードの発光分布を示す。曲線ＩＩＩは本発明の、幅Ｄ＝２μｍの柱構造の発光ダイオードの発光分布を示す。本実施形態では、本発明の発光ダイオードの最も広い視野角は１６０度よりも広くすることができる。
上述の説明から、本発明は広い視野角を有する発光ダイオードとそのような発光ダイオードの製造方法を提供する。柱構造部によって、活性層からの光は柱構造部内で局所化される。さらに透明導電層から射出した光は広い視野角を有する。
上述の実施形態においては、透明導電層１１２はサブ波長表面構造を有する。代替的に、他の実施形態では、サブ波長表面構造を省略することも可能である。すなわち、図４Ｆに示す工程が省略され、第１の電極１１４は直接透明導電層１１１の上に形成される。
さらに、第１の電極１１４と第２の電極１１６のパターンや製造方法は、第１の電極１１４が透明導電層に接続され且つ第２の電極１１６がＮ型層１０２に接続される限り、限定されるものではない。代替的に、Ｎ型層１０２やＰ型層１０６の場所は、本発明の発光ダイオードを形成する間に交換することも可能である。
本発明は最も実用的で好ましい実施形態と現在考えられるものの観点から記載しているが、本発明は開示された実施形態に限定される必要はないものと理解されるべきである。一方、係属する請求項の請求の範囲内に含まれる種々の変形例や類似の構造も含まれることが意図されており、請求項はこのような変形例や類似の構造の全てを包括するように広い解釈に合うように構成される。
１００ 基板
１０２ Ｎ型層
１０４ 活性層
１０６ Ｐ型層
１０８ パッシベーション層
１１０ 電気絶縁層
１１２ 透明導電層
１１４ 第１の電極
１１６ 第２の電極
１０２ Ｎ型層
１０４ 活性層
１０６ Ｐ型層
１０８ パッシベーション層
１１０ 電気絶縁層
１１２ 透明導電層
１１４ 第１の電極
１１６ 第２の電極
Claims (14)
- 基板と、
前記基板上に形成される複数の柱構造部であって、該柱構造部のそれぞれは第１型の半導体層と、活性層と、第２型の半導体層とを有し、前記第１型の半導体層は前記基板上に形成され、当該柱構造部同士は前記第１型の半導体層を介して電気的接続される複数の柱構造部と、
前記柱構造部間に形成される充填構造部と、
前記充填構造部及び前記柱構造部の前記第２型の半導体層を被う透明導電層と、
前記透明導電層と接続される第１の電極と、
前記第１型の半導体層と接続する第２の電極とを有することを特徴とする発光ダイオード。 - 請求項１記載の発光ダイオードであって、前記第１型の半導体層はＮ型層であり、前記第２型の半導体層はＰ型であり、前記柱構造部はλの２分の１から２０ミクロンメートルの間の範囲、但しλは当該発光ダイオードの発光波長、の幅を有し、前記柱構造部は零から１０ミクロンメートルの間の範囲の高さを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項１記載の発光ダイオードであって、前記充填構造部は、前記柱構造部の側壁及び前記第１型の半導体層の表面の上に形成されるパッシベーション層と、前記パッシベーション層の側壁の間に充填される電気的絶縁層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項３記載の発光ダイオードであって、前記パッシベーション層は化学式（ＡｌｘＩｎｙＧａｚ）２−δＯ３、但しｘ＋ｙ＋ｚ＝１で、０≦δ＜１、を有する第１の誘電体材料からなり、前記電気的絶縁層は第２の誘電体材料からなり、その第２の誘電体材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、若しくは酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）であることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項１記載の発光ダイオードであって、前記透明導電層は第３の誘電体材料からなり、その第３の誘電体層は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（Ｓｎ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）若しくは酸化ニッケル（ＮｉＯｘ、但し０≦ｘ＜１）であることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項１記載の発光ダイオードであって、前記透明導電層はサブ波長表面構造を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項６記載の発光ダイオードであって、前記サブ波長表面構造は、零から２ミクロンメートルの範囲の高さを有し、前記サブ波長表面構造は、零から５００ナノメートルの範囲の幅を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 基板を提供し、
次いで前記基板上に第１型の半導体層、活性層、第２型の半導体層を形成し、
フォトリソグラフィーとエッチングを行って前記基板上に複数の柱構造部を形成して、各柱構造部が前記第１型の半導体層、前記活性層、及び前記第２型の半導体層を有し、複数の前記柱構造部が前記第１型の半導体層を介して互いに電気的に接続されるようにされ、
前記柱構造部の間には充填構造部を形成し、
前記充填構造部と前記柱構造部の前記第２型の半導体層を被って透明導電体層を形成し、
前記透明導電体層上に第１の電極を形成し、
前記第１型の半導体層の上に第２の電極を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 請求項８記載の発光ダイオードの製造方法であって、前記第１型の半導体層はＮ型層であり、前記第２型の半導体層はＰ型であり、前記柱構造部はλの２分の１から２０ミクロンメートルの間の範囲、但しλは当該発光ダイオードの発光波長、の幅を有し、前記柱構造部は零から１０ミクロンメートルの間の範囲の高さを有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
- 請求項８記載の発光ダイオードの製造方法であって、前記充填構造部の形成工程は、前記柱構造部の側壁と前記第１型の半導体層の表面にパッシベーション層を形成する工程と、前記パッシベーション層の側壁間に電気的絶縁層を充填する工程とを有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
- 請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法であって、前記パッシベーション層は、光増強ウエット酸化法、高温酸化法、原子層成長法、若しくは化学気相成長法により形成され、前記パッシベーション層は、化学式（ＡｌｘＩｎｙＧａｚ）２−δＯ３、但しｘ＋ｙ＋ｚ＝１で、０≦δ＜１、を有する第１の誘電体材料からなり、前記電気的絶縁層は第２の誘電体材料からなり、その第２の誘電体材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、若しくは酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）であることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
- 請求項８記載の発光ダイオードの製造方法であって、前記透明導電層は第３の誘電体材料からなり、その第３の誘電体層は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（Ｓｎ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）若しくは酸化ニッケル（ＮｉＯｘ、但し０≦ｘ＜１）であることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
- 請求項８記載の発光ダイオードの製造方法であって、前記透明導電層はサブ波長表面構造を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
- 請求項１３記載の発光ダイオードの製造方法であって、前記サブ波長表面構造は、零から２ミクロンメートルの範囲の高さを有し、前記サブ波長表面構造は、零から５００ナノメートルの範囲の幅を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
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