JP2013084916A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板210と、基板210上に相互に離隔して設けられ、半導体物質の積層により形成される少なくとも二つの発光セル240と、発光セル240の間に順次に積層された反射層220及び透明絶縁層230と、発光セル240を覆う透明電極250と、を備える。
【選択図】図2A
Description
び反射膜から形成された半導体発光素子及びその製造方法に関する。
ような通信分野、コンパクトディスクプレーヤー(Compact Disc Play
er:CDP)、及びデジタル多機能ディスクプレーヤー(Digital Versa
tile Disc Player:DVDP)などの装置でデータの伝送又はデータの
記録及び読み取りのための手段として広く使用されており、大型屋外電光板、LCD(L
iquid Crystal Display)のバックライト、及び照明などに応用範
囲を広げている。
GaN発光セルの厚さを5μm以上に容易に成長させうる。しかし、サファイア基板は、
高価であり、そのサイズに制限があり、大面積の安価のシリコン基板上にGaN発光セル
を形成することが試みられてきた。
の間の格子定数差及び熱膨張係数の差により、GaN発光セルに多くのクラックが発生し
うる弱点を有する。このようなクラック発生を抑制するために、シリコン基板上に形成さ
れるGaN発光セルの成長厚さは、一般的に、1.0μm以内に限定される。しかし、一
定レベル以下の厚さを有するGaN発光セルは、駆動電圧を上昇させる。一方、シリコン
基板は、GaN発光セルから放出される光を一部吸収することにより、光出力を低下させ
る。
ィスプレイの一例を示す。
の半導体発光セル120が格子形態に配置されている。各発光セル120は、個別的に動
作される。そして、一つの基板110で発光セル120全体を駆動することにより目的と
する画像を表現できる。前記のような発光セルは、矩形で約100μmの幅を有し、隣接
する発光セル間の距離は約10μmである。
0上に低温窒化アルミニウム(LT−AlN)バッファ層が形成され、その上にGaN系
の半導体物質層が形成された構造を有する。このような構造によれば、残留応力の低下に
よりGaN系の半導体物質層の欠陥及びクラックを減らし得る。しかし、このような構造
の素子は、複雑な工程を要求し、特に、光出力が低いという短所を有する。
ク形成を最小化でき、発光素子の光放出量を効果的に増加させうる半導体発光素子を提供
するところにある。
るところにある。
相互に離隔して設けられ、半導体物質の積層により形成される少なくとも二つの発光セル
、前記発光セルの間に順次に積層された反射層及び透明絶縁層、ならびに、前記発光セル
を覆う透明電極を備える。前記基板は、Siから形成されうる。
は、GaN系III−V族窒化物半導体層でありうる。
光セルより厚く形成されていることが好ましい。前記透明絶縁層の厚さは、前記反射層よ
り厚く形成されていることが好ましい。前記発光セルの幅に対する前記発光セルの厚さの
比率は、前記発光セルに対する前記透明絶縁層の全反射角度のタンジェント値と同じ、又
は、当該タンジェント値より大きく形成されていることが好ましい。
形成されていて、例えば、SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2
、及びZnOよりなる群から選択される少なくとも一つの物質から形成されうる。
は、Au、Pd、Pt、Ru、及びNiよりなる群から選択される一つの物質から形成さ
れうる。前記透明導電性酸化物は、亜鉛酸化物(ZnO)又はインジウム酸化物(In
Oxide)から形成されうる。前記インジウム酸化物は、Mg、Ag、Zn、Sc、H
f、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、
Hg、Pr、及びLa系の元素よりなる群から選択される少なくとも一つの元素と結合さ
れて形成されうる。
の金属層及び誘電層が、一対以上繰り返し積層されて形成されうる。
セルとの間に、GaN層を更に備え、前記基板と前記GaN層との間に、第2バッファ層
を更に備えうる。前記第1バッファ層は、GaN系のIII−V族窒化物半導体層でありう
る。
上に透明絶縁層を形成する第1ステップと、前記透明絶縁層に少なくとも一つのホールを
形成する第2ステップと、前記ホール内に、半導体物質の積層により発光セルを形成する
第3ステップと、前記透明絶縁層及び発光セルを覆う電極を形成する第4ステップと、を
含む。前記基板は、Siから形成されうる。
成されることが好ましい。前記透明絶縁層は、前記発光セルを形成する半導体物質層の屈
折率より小さな屈折率を有する物質から形成され、例えば、SiO2、SiNx、Al2
O3、HfO、ZrO、TiO2、及びZnOよりなる群から選択される少なくとも一つ
の物質から形成されうる。
明導電性酸化物(TCOs)から形成されうる。前記金属は、Au、Pd、Pt、Ru、
及びNiよりなる群から選択される一つの物質から形成されうる。前記透明導電性酸化物
は、亜鉛酸化物(ZnO)又はインジウム酸化物(InOxide)から形成されうる。
前記インジウム酸化物は、Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W
、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、及びLa系の元素よ
りなる群から選択される少なくとも一つの元素と結合されて形成されうる。
反射電極であって、前記第4ステップは、前記反射電極上に熱伝達層を形成するステップ
を含む。また、前記第4ステップは、前記基板を除去するステップを更に含み、前記発光
セルの下面を覆う下側透明電極を形成するステップを更に含みうる。前記熱伝達層は、C
u、Si、及びCu合金よりなる群から選択される何れか一つの物質から形成されうる。
の金属層及び誘電層が、一対以上繰り返し積層されて形成されうる。
発光セルより厚く形成されることが好ましい。前記透明絶縁層の厚さは、前記反射層より
厚く形成されることが好ましい。前記発光セルの幅に対する前記発光セルの厚さの比率は
、前記発光セルに対する前記透明絶縁層の全反射角度のタンジェント値と同じ、又は、当
該タンジェント値より大きく形成されることが好ましい。
プは、前記基板と前記透明絶縁層との間にGaN層及び反射層を順次に形成するステップ
を含み、前記第2ステップは、前記GaN層が露出されるまで、前記透明絶縁層及び前記
反射層にホールを形成する。前記第1ステップは、前記基板と前記GaN層との間に第2
バッファ層を形成するステップを更に含んでもよい。前記第1バッファ層は、例えば、G
aN系のIII−V族窒化物半導体層である。
発光セルよりに厚く形成されることが好ましい。前記透明絶縁層の厚さは、前記反射層よ
り厚く形成されることが好ましい。前記発光セルの幅に対する前記発光セルの厚さの比率
は、前記発光セルに対する前記透明絶縁層の全反射角度のタンジェント値と同じ、又は、
当該タンジェント値より大きく形成されることが好ましい。
の金属層及び誘電層が、一対以上繰り返し積層されて形成されうる。
高さは、発光セルから放出された光が透明絶縁層を通過するように制限されうる。発光セ
ルの側面に充填された透明絶縁層は、発光セルから外部への光放出に寄与できる。したが
って、このような方法は、Si基板上に積層された発光セルのクラック形成を減少させ、
発光素子の光放出率を向上させうる。
少させうる物質、例えば、前述した実施の形態のような透明絶縁層が満たされていること
により、発光セルの近傍での残留応力及びそれによるクラックの発生を減少させる。
厚さは、活性層から放出された光を全反射するように制限されうる。発光セルの側面に充
填された透明絶縁層は、外部への光の放出に寄与できる。したがって、このような方法は
、発光素子の光放出率を向上させうる。
ド及びその製造方法を詳細に説明する。この過程で、図面に示す層や領域の厚さは、説明
の理解を助けるために誇張して示したことに留意せねばならない。
に相互に離隔して設けられ、半導体物質の積層により形成される少なくとも二つの発光セ
ル240と、発光セル240の間に順次に積層される反射層220及び透明絶縁層230
と、発光セル240上面を覆う透明電極250と、を備える。基板210は、Siから形
成されうる。
金属層、複数の誘電層、又は一対の金属層及び誘電層が一対以上繰り返し積層されたもの
から形成されうる。透明絶縁層230は、発光セル240から放出された光が外部に出射
されうる光透過性物質でありながら、また電極間の短絡を防止できる絶縁性物質であるこ
とが好ましく、例えば、SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、
及びZnOよりなる群から選択される少なくとも一つから形成される。透明電極250は
、金属又は透明導電性酸化物(TCOs)から形成されうる。金属は、Au、Pd、Pt
、Ru、及びNiよりなる群から選択される何れか一つから形成されうる。透明導電性酸
化物は、亜鉛酸化物(ZnO)又はインジウム酸化物(In Oxide)から形成され
うる。インジウム酸化物は、Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、
W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、及びLa系の元素
よりなる群から選択される少なくとも一つの元素と結合されて形成されうる。
aN層246を備える。活性層244として、InxAlyGa1−x−yNのGaN系
のIII−V族窒化物の化合物半導体層を使用することが好ましい。ここで、活性層244
は、多重量子ウエルまたは単一量子ウエル構造を有してもよく、このような活性層244
の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。
ている。このような構成とすると、窒化物半導体の残留応力を減少させ、Si基板上に形
成されうるクラックを減らすことができる。
る。バッファ層260は、例えば、GaN系のIII−V族窒化物半導体層である。
40の絶縁性を向上させるために、発光セル240の厚さと同じであるか、またはそれよ
り大きいことが好ましい。また、透明絶縁層230は、光の屈折を助けるために、活性層
244、上部GaN層246、および下部GaN層242より屈折率の小さな物質である
ことが好ましい。透明絶縁層230の厚さは、反射層220が更に多い光を反射させるた
めに、反射層220の厚さより更に厚いことが好ましい。
である。
に対する透明絶縁層の屈折率niの全反射角度より小さければ(ea<sin−1(ni
/ns))、活性層244の側面から放出された光が、外部に容易に放出されうる。この
ために、発光セル240の幅(L)に対する発光セル240の厚さ(H)は、全反射角度
eaのタンジェント値より大きいか、同じに(H/L>=tan(ea))形成されるこ
とが好ましい。したがって、発光セル240の厚さは、光が外部に放出される効率を向上
させるために、活性層244で発生した光を透明絶縁層230との界面を通過させるサイ
ズになることが好ましい。
層の厚さの規定は、半導体発光素子の光放出率を向上させうる。
GaN層320を備える。
バッファ層)310を更に備える。バッファ層310は、例えば、GaN系のIII−V族
窒化物半導体層である。
にし、GaN層320の下部の広い接触面積を介して電流が通過されるため、基板を介し
た電流の流れを向上させうる。
法を示す工程図である。
テップ(図4A)、透明絶縁層230に少なくとも一つのホールhを形成する第2ステッ
プ(図4B)、ホールhに発光セル240を形成する第3ステップ(図4C)、及び発光
セル240を覆う透明電極410を形成する第4ステップ(図4D)を含む。基板210
は、Siから形成されうる。
に形成するステップを含む。活性層244として、InxAlyGa1−x−yNである
GaN系のIII−V族窒化物の化合物半導体層を使用することが好ましい。ここで、活性
層244は、多重量子ウエルまたは単一量子ウエル構造を有してもよく、このような活性
層244の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。
か、さらに厚く形成されることが好ましい。透明絶縁層230は、光の屈折を助けるため
に、活性層244、上部GaN層246、及び下部GaN層242の屈折率より小さな物
質から形成されることが好ましく、例えば、SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、
ZrO、TiO2、及びZnOよりなる群から選択される少なくとも一つの物質から形成
される。透明電極410は、光透過性に優れ、電流が通じ得る物質、例えば、金属又は透
明導電性酸化物(TCOs)から形成されうる。金属は、Au、Pd、Pt、Ru、及び
Niよりなる群から選択される一つの物質から形成されうる。透明導電性酸化物は、亜鉛
酸化物(ZnO)又はインジウム酸化物(InOxide)から形成されうる。インジウ
ム酸化物は、Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、W、Nb、Cu
、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、及びLa系の元素よりなる群から
選択される少なくとも一つの元素と結合されて形成され得る。
法を示す工程図である。本実施の形態は、上述した実施の形態と第4ステップが異なる。
したがって、第1〜第3ステップについての説明は省略する。
透明絶縁層230及び発光セル240を覆う反射電極520を形成するステップを含み(
図5A)、反射電極520上に熱伝達層530を形成するステップ(図5B)を更に含む
。また、本実施の形態の第4ステップは、基板210を除去するステップ(図5C)を更
に含み、発光セル240の下面を覆う透明電極(下側透明電極)510を形成するステッ
プ(図5d)を更に含む。
物質から構成され、例えば、Cu、Si、及びCu合金よりなる群から選択される一つの
物質から形成されうる。また、Cu熱伝導層を利用する場合、電気伝導性に優れているた
め、電流が発光セル240に容易に流れ得る。
0を介して外部に放出される。一方、発光セル240から反射電極520に向かって放出
された光は、反射電極520で反射される。Si基板を除去すれば、Si基板が吸収する
光が外部に放出されるため、光放出率が向上しうる。したがって、これは、高出力の半導
体発光素子の製造時に利用可能である。
す工程図である。
基板210と透明絶縁層230との間に反射層610を形成するステップを更に含み(図
6A)、第2ステップは、基板210が露出されるまで、透明絶縁層230及び反射層6
10にホールhを形成する(図6B)。反射層610は、活性層244で発生した光を反
射させやすい物質が好ましく、例えば、金属層、複数の誘電層、又は、一対の金属層及び
誘電層が一対以上繰り返して積層されたものから形成されうる。
ファ層(第1バッファ層)620を形成するステップを更に含みうる。バッファ層620
は、GaN系のIII−V族窒化物半導体層でありうる。
40の絶縁性を向上させるために、発光セル240の厚さと同じか、さらに厚く形成され
ることが好ましい。透明絶縁層230の厚さは、反射層610が更に多い光を反射させる
ために、反射層610の厚さより更に大きく形成されることが好ましい。発光セル240
の幅に対する発光セル240厚さの比率は、発光セル240に対する透明絶縁層230の
全反射角度のタンジェント値と同じか、さらに大きく形成されることが好ましい。図2は
、前記のような方法により得られた発光素子の断面構造を示す。
示す工程図である。
の間にGaN層710及び反射層720を順次に形成するステップを更に含み(図7A)
、第2ステップは、透明絶縁層230及び反射層720に、GaN層710が露出される
までホールhを形成するステップを含むこと(図7B)を特徴とする。反射層720は、
活性層244で発生した光を反射させやすい物質が好ましく、例えば、金属層、複数の誘
電層、又は一対の金属層及び誘電層が一対以上繰り返し積層されたものから形成されうる
。
にするだけでなく、GaN層710の下部に広い接触面積を介して電流が通過するため、
基板210を介した電流の流れを向上させる。
層(第2バッファ層)730を形成するステップを更に含みうる。バッファ層730は、
GaN系のIII−V族窒化物半導体層でありうる。
に厚く形成されることが好ましい。透明絶縁層230の厚さは、反射層720の厚さより
更に厚く形成されることが好ましい。発光セル240の幅に対する発光セル240の厚さ
の比率は、発光セル240に対する透明絶縁層230の全反射角度のタンジェント値と同
じか、さらに大きく形成されることが好ましい。図3は、前記のような方法により得られ
た発光素子の断面構造を示す図である。
参考に説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変
形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。したがって、
本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲により決まらねばならない。
220 反射層、
230 透明絶縁層、
240 発光セル、
242 下部GaN層、
244 活性層、
246 上部GaN層、
250 透明電極、
260 バッファ層。
Claims (42)
- 基板と、
前記基板上に相互に離隔して設けられ、半導体物質の積層により形成される少なくとも
二つの発光セルと、
前記発光セルの間に所定高さに順次に積層された反射層及び透明絶縁層と、
前記発光セルの上面を覆う透明電極と、を備えることを特徴とする発光素子。 - 前記基板と前記発光セルとの間に第1バッファ層を更に備えることを特徴とする請求項
1に記載の発光素子。 - 前記透明絶縁層と前記反射層の厚さの和は、前記発光セルの厚さと同じ、又は、前記発
光セルより厚いことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記透明絶縁層の厚さは、前記反射層より厚いことを特徴とする請求項1に記載の発光
素子。 - 前記発光セルの幅に対する当該発光セルの厚さの比率は、当該発光セルに対する前記透
明絶縁層の全反射角度のタンジェント値と同じ、又は、当該タンジェント値より大きいこ
とを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記基板は、Siから形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記透明絶縁層は、前記発光セルを形成する半導体物質の屈折率より小さな屈折率を有
する物質から形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記透明絶縁層は、SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、及
びZnOよりなる群から選択される少なくとも一つの物質から形成されていることを特徴
とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記透明電極は、透明導電性酸化物又は金属から形成されていることを特徴とする請求
項1に記載の発光素子。 - 前記金属は、Au、Pd、Pt、Ru、及びNiよりなる群から選択される一つである
ことを特徴とする請求項9に記載の発光素子。 - 前記透明導電性酸化物は、亜鉛酸化物又はインジウム酸化物であることを特徴とする請
求項9に記載の発光素子。 - 前記インジウム酸化物は、Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、
W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、及びLa系の元素
よりなる群から選択される少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項11に記
載の発光素子。 - 前記反射層は、金属層から形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子
。 - 前記反射層は、複数の誘電層から形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発
光素子。 - 前記反射層は、一対の金属層及び誘電層が、一対以上繰り返し積層されて形成されてい
ることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記基板と前記発光セルとの間に、GaN層を更に備えることを特徴とする請求項1に
記載の発光素子。 - 前記基板と前記GaN層との間に、第2バッファ層を更に備えることを特徴とする請求
項16に記載の発光素子。 - 前記第1バッファ層は、GaN系のIII−V族窒化物半導体層であることを特徴とする
請求項2に記載の発光素子。 - 基板上に透明絶縁層を形成する第1ステップと、
前記透明絶縁層に少なくとも一つのホールを形成する第2ステップと、
前記ホール内に、半導体物質の積層により発光セルを形成する第3ステップと、
前記透明絶縁層及び発光セルを覆う電極を形成する第4ステップと、を含むことを特徴
とする発光素子の製造方法。 - 前記基板は、Siから形成されることを特徴とする請求項19に記載の発光素子の製造
方法。 - 前記透明絶縁層の厚さは、前記発光セルと同じ厚さに、又は、前記発光セルより厚く形
成されることを特徴とする請求項19に記載の発光素子の製造方法。 - 前記透明絶縁層は、前記発光セルを形成する半導体物質の屈折率より小さな屈折率を有
する物質から形成されることを特徴とする請求項19に記載の発光素子の製造方法。 - 前記透明絶縁層は、SiO2、SiNx、Al2O3、HfO、ZrO、TiO2、及
びZnOよりなる群から選択される少なくとも一つの物質から形成されることを特徴とす
る請求項19に記載の発光素子の製造方法。 - 前記第4ステップで形成される電極は、透明電極であって、
前記透明電極は、透明導電性酸化物又は金属から形成されることを特徴とする請求項1
9に記載の発光素子の製造方法。 - 前記金属は、Au、Pd、Pt、Ru、及びNiよりなる群から選択される一つである
ことを特徴とする請求項24に記載の発光素子の製造方法。 - 前記透明導電性酸化物は、亜鉛酸化物又はインジウム酸化物であることを特徴とする請
求項24に記載の発光素子の製造方法。 - 前記インジウム酸化物は、Mg、Ag、Zn、Sc、Hf、Zr、Te、Se、Ta、
W、Nb、Cu、Si、Ni、Co、Mo、Cr、Mn、Hg、Pr、及びLa系の元素
よりなる群から選択される少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項26に記
載の発光素子の製造方法。 - 前記第4ステップで形成される電極は、反射電極であって、
前記第4ステップは、
前記反射電極上に熱伝達層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項19に記
載の発光素子の製造方法。 - 前記第4ステップは、
前記基板を除去するステップを更に含むことを特徴とする請求項28に記載の発光素子
の製造方法。 - 前記第4ステップは、
前記基板が除去された前記発光セルの下面を少なくとも覆う下側透明電極を形成するス
テップを更に含むことを特徴とする請求項29に記載の発光素子の製造方法。 - 前記熱伝達層は、Cu、Si、及びCu合金よりなる群から選択される一つの物質から
形成されることを特徴とする請求項28に記載の発光素子の製造方法。 - 前記第1ステップは、
前記基板と前記透明絶縁層との間に反射層を形成するステップを含み、
前記第2ステップは、
前記基板が露出されまで、前記透明絶縁層及び前記反射層にホールを形成することを特
徴とする請求項19に記載の発光素子の製造方法。 - 前記第3ステップは、
前記発光セルと前記基板との間に第1バッファ層を形成するステップを含むことを特徴
とする請求項32に記載の発光素子の製造方法。 - 前記第1ステップは、
前記基板と前記透明絶縁層との間にGaN層及び反射層を順次に形成するステップを含
み、
前記第2ステップは、
前記GaN層が露出されるまで、前記透明絶縁層及び前記反射層にホールを形成するこ
とを特徴とする請求項19に記載の発光素子の製造方法。 - 前記第1ステップは、
前記基板と前記GaN層との間に第2バッファ層を形成するステップを更に含むことを
特徴とする請求項34に記載の発光素子の製造方法。 - 前記透明絶縁層と前記反射層の厚さの和は、前記発光セルの厚さと同じに、又は、前記
発光セルより厚く形成されることを特徴とする請求項32に記載の発光素子の製造方法。 - 前記透明絶縁層の厚さは、前記反射層より厚く形成されることを特徴とする請求項32
に記載の発光素子の製造方法。 - 前記発光セルの幅に対する前記発光セルの厚さの比率は、前記発光セルに対する前記透
明絶縁層の全反射角度のタンジェント値と同じに、又は、当該タンジェント値より大きく
形成されることを特徴とする請求項32に記載の発光素子の製造方法。 - 前記反射層は、金属層から形成されることを特徴とする請求項32に記載の発光素子の
製造方法。 - 前記反射層は、複数の誘電層から形成されることを特徴とする請求項32に記載の発光
素子の製造方法。 - 前記反射層は、一対の金属層及び誘電層が、一対以上繰り返し積層されて形成されるこ
とを特徴とする請求項32に記載の発光素子の製造方法。 - 前記第1バッファ層は、GaN系のIII−V族窒化物半導体層であることを特徴とする
請求項33に記載の発光素子の製造方法。
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