JP2013214743A - 発光ダイオードチップ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光取り出し効率が高い発光ダイオードチップ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る発光ダイオードチップは、発光構造体と、前記発光構造体に形成される透明導電層と、前記透明導電層に形成される透明保護層と、を備え、前記透明保護層には、複数の孔が設けられ、前記透明導電層は、前記複数の孔を介して前記透明保護層から露出され、複数の孔から露出する前記透明導電層の表面にマイクロ構造体が形成される。前記発光構造体は、基板並びに前記基板に順次に成長する第一半導体層、活性層、及び第二半導体層を備え、前記第一半導体層は、Ｎ型窒化ガリウム層であり、第二半導体層は、Ｐ型窒化ガリウム層である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体構造体に関し、特に発光ダイオードチップ及びその製造方法に関するものである。
従来の発光ダイオードチップは、基板と、該基板に順次に形成されるＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層を含む発光構造体と、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層にそれぞれ接続される２つの電極（即ち、Ｎ型電極及びＰ型電極）と、を備える。
発光ダイオードチップの光取り出し効率を低下させることなく、半導体層における均一な電流分布を達成するために、一般的には、Ｐ型電極とＰ型半導体層との間には、透明導電層（透明な酸化インジウムスズ、ＩＴＯ）が形成され、該透明導電層上に発光ダイオードを保護するための透明保護層がさらに形成されている。しかし、発光構造体から出射した光は、透明導電層と透明保護層において、常に全反射するため、発光ダイオードチップの光取り出し効率を低下させる。
前記課題を解決するために、本発明は、光取り出し効率が高い発光ダイオードチップ及びその製造方法を提供する。
本発明に係る発光ダイオードチップは、発光構造体と、前記発光構造体に形成される透明導電層と、前記透明導電層に形成される透明保護層と、を備え、前記透明保護層には、複数の孔が設けられ、前記透明導電層は、前記複数の孔を介して前記透明保護層から露出し、複数の孔から露出する前記透明導電層の表面にマイクロ構造体が形成される。
本発明に係る発光ダイオードチップの製造方法は、発光構造体を提供するステップと、前記発光構造体に透明導電層及び透明保護層を順次に形成するステップと、前記透明保護層に複数の孔を設け、前記透明導電層を孔の底部から露出させるステップと、前記孔の底部から露出する前記透明導電層の表面を粗化して複数のマイクロ構造体を形成するステップと、を備える。
従来の技術と比べ、本発明に係る発光ダイオードチップ及びその製造方法において、まず、透明導電層に成長する透明保護層に複数の孔を設け、透明導電層を孔から露出させる。次に、孔から露出する透明導電層の表面を粗化してマイクロ構造体を形成する。これにより、活性層から出射した光がマイクロ構造体を通過する際に、様々な方向に向かって屈折するため、透明導電層の滑らかな上表面によって引き起こす全反射現象を防止し、発光ダイオードチップの光取り出し効率及び輝度を向上することができる。
本発明の第一実施形態に係る発光ダイオードチップ断面図である。 図１に示した発光ダイオードチップの平面図である。 図１に示した発光ダイオードチップの透明導電層及び透明保護層の拡大図である。 本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードチップ断面図である。 本発明の実施形態に係る発光ダイオードチップの製造方法のフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明の第一実施形態に係る発光ダイオードチップ１０は、水平型の発光ダイオードであり、発光構造体１９と、該発光構造体１９上に順次に形成される透明導電層１５及び透明保護層１６と、第一電極１７及び第二電極１８と、を備える。発光構造体１９は、基板１１及び該基板１１に順次に成長する第一半導体層１２、活性層１３、第二半導体層１４を備える。
基板１１は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）或いは酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの材料からなる。
第一半導体層１２、活性層１３及び第二半導体層１４は、基板１１上に順次に成長する。第一半導体層１２及び第二半導体層１４は、異なる材料によってドープされた半導体層であり、本実施形態において、第一半導体層１２は、Ｎ型窒化ガリウム層であり、第二半導体層１４は、Ｐ型窒化ガリウム層である。他の実施形態において、第一半導体層１２は、Ｐ型窒化ガリウム層であり得、第二半導体層１４は、Ｎ型窒化ガリウム層であり得る。基板１１と第一半導体層１２との間の格子欠陥を軽減するために、基板１１と第一半導体層１２との間には、バッファ層１１１がさらに形成される。該バッファ層１１１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。
図２を参照すると、第一半導体層１２の基板１１から離れる表面は、露出した第一区域１２１及び活性層１３によって覆われた第二区域１２２を備える。活性層１３及び第二半導体層１４は、第一半導体層１２の第二区域１２２に順次に形成される。本実施形態において、第一区域１２１は、第一半導体層１２の一角に位置するがこれに限定されず、他の実施形態において、第二区域１２２を囲む環状区域であっても良い。
活性層１３は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造或いは多重量子井戸（ＭＱＷ）構造であっても良い。
透明導電層１５は、第二半導体層１４に成長し、且つ第二半導体層１４の電流の拡散特性を向上するために用いられる。また、透明導電層１５の材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）であることができる。
第一電極１７は、透明導電層１５に形成され、第二電極１８は、第一半導体層１２の第一区域１２１に形成される。
透明保護層１６は、透明導電層１５に形成され、両者とも透明であることから、発光構造体１９から出射した光を遮らず、且つ発光ダイオードチップ１０が汚染されるのを防止することができる。透明保護層１６には、スルーホール１６２が設けられ、第一電極１７は、該スルーホール１６２の中に形成され、第一電極１７の底部は、透明導電層１５に接触し、第一電極１７の頂部は、透明保護層１６から露出する。これにより、外部のワイヤーを介して発光ダイオードチップ１０に電力を提供することができる。透明保護層１６は、透明なシリカ（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＮ）、ダイヤモンドライクカーボン膜などの電気絶縁材料からなるため、発光ダイオードチップ１０を電気的干渉や損傷から保護することができる。他の実施形態において、透明保護層１６は、発光ダイオードチップ１０の側面及び底面をさらに覆っても良い。
図３を共に参照すると、透明保護層１６には、複数の孔１６１がさらに設けられ、透明導電層１５は、該孔１６１を介して空気中に露出される。本実施形態において、各孔１６１の開口の面積は、８平方マイクロメートル（μｍ２）より大きい。孔１６１の中に露出した透明導電層１５の上表面には、マイクロ構造体１５１が形成される。該マイクロ構造体１５１は、粒状、ツイル状または他の形状であっても良い。本実施形態において、マイクロ構造体１５１は、粒状であり、各粒の体積は、１立方マイクロメートル（μｍ３）より小さい。活性層１３から出射した光が、マイクロ構造体１５１を通過する際、様々な方向に向かって屈折する。これにより、透明導電層１５の上表面が滑らかすぎることによって引き起こされる全反射現象を防止し、且つ発光ダイオードチップ１０の光取り出し効率及び輝度を向上することができる。本実施形態において、孔１６１の底部に位置する透明導電層１５の一部のみが粗面化されているため、その導電性能を低下させることなく、光の取り出し効率を向上させることができる。また、透明保護層１６は、発光ダイオードチップ１０の保護層としてだけでなく、透明導電層１５上にマイクロ構造体１５１を形成する工程において、マスクの役割を果たすこともできる。
図４を参照すると、本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードチップ２０は、垂直型の発光ダイオードであり、基板２１と、該基板２１に順次に成長する第一半導体層２２、活性層２３、第二半導体層２４、透明導電層２５、透明保護層２６と、該透明保護層２６に形成される第一電極２７及び基板２１に形成される第二電極２８と、を備える。第二実施形態に係る発光ダイオードチップ２０と第一実施形態に係る発光ダイオードチップ１０との違いは、活性層２３が第一半導体層２２を完全に覆うこと及び第一電極２７と第二電極２８が発光ダイオードチップ２０における互いに異なる側に位置することである。
第二実施形態に係る発光ダイオードチップ２０における透明保護層２６及び透明導電層２５と第一実施形態に係る発光ダイオードチップ１０における透明保護層１６及び透明導電層１５とは、同じ構造を有する。透明保護層２６にも、複数の孔２６１が設けられ、該孔２６１を介して露出する透明導電層２５の上表面には、マイクロ構造体２５１が形成される。これにより、活性層２３から出射した光が、マイクロ構造体２５１を通過する際に、様々な方向に向かって屈折するため、透明導電層２５の上表面が滑らかすぎることによって引き起こされる全反射現象を防止し、且つ発光ダイオードチップ２０の光取り出し効率及び輝度を向上することができる。
図５を参照すると、本発明の実施形態に係る発光ダイオードチップの製造方法は、下記のステップ１〜ステップ４を備える。
ステップ１において、発光構造体１９を提供する。
ステップ２において、発光構造体１９に透明導電層１５及び透明保護層１６を順次に形成する。
ステップ３において、透明保護層１６に複数の孔１６１を設け、透明導電層１５を孔１６１の底部から露出させる。
ステップ４において、孔１６１の底部から露出する透明導電層１５の表面を粗化して複数のマイクロ構造体１５１を形成する。
本実施形態において、発光構造体１９は、基板１１及び該基板１１に順次に成長する第一半導体層１２、活性層１３、及び第二半導体層１４を備える。第一半導体層１２は、Ｎ型半導体層であり、第二半導体層１４は、Ｐ型半導体層である。他の実施形態において、第一半導体層１２は、Ｐ型半導体層であり得、第二半導体層１４は、Ｎ型半導体層であり得る。
ステップ３及びステップ４において、複数の孔１６１は、フォトリソグラフィ或いはエッチングプロセスによって形成することができる。マイクロ構造体１５１は、エッ チング或いはイオン衝撃法によって形成することができる。例えば、塩酸、硫酸、シュウ酸、リン酸或いはフッ酸などの化学溶液を利用して、孔１６１の中の透明導電層１５にエッチングを行う。マイクロ構造体１５１のパターン及び形状は、異なるマスクによって調整することができる。
また、上記のステップが終了した後、さらに、下記の電極を形成する工程を備える。まず、透明保護層１６にスルーホール１６２を設ける。次に、スルーホール１６２の中に第一電極１７を形成する。最後に、第一半導体層１２に第二電極１８を形成する。
スルーホール１６２は、エッチングによって形成される。この時、第一電極１７の底部は、透明導電層１５に接触し、第一電極１７の頂部は、透明保護層１６から露出する。これにより、外部のワイヤーを介して、発光ダイオードチップ１０に電力を提供することができる。
本発明に係る発光ダイオードチップ１０、２０において、まず、透明導電層１５に成長する透明保護層１６に複数の孔１６１を設け、透明導電層１５を、孔１６１から露出させる。次に、孔１６１から露出する透明導電層１５の一部の表面を粗化して、マイクロ構造体１５１を形成する。これにより、活性層１３、２３から出射した光がマイクロ構造体１５１を通過する際に、様々な方向に向かって屈折されるため、透明導電層１５の滑らかな上表面によって引き起こされる全反射現象を防止し、発光ダイオードチップ１０、２０の光取り出し効率及び輝度を向上することができる。
１０、２０ 発光ダイオードチップ
１１、２１ 基板
１１１ バッファ層
１２、２２ 第一半導体層
１２１ 第一区域
１２２ 第二区域
１３、２３ 活性層
１４、２４ 第二半導体層
１５、２５ 透明導電層
１５１、２５１ マイクロ構造体
１６、２６ 透明保護層
１６１、２６１ 孔
１６２ スルーホール
１７、２７ 第一電極
１８、２８ 第二電極
１９、２９ 発光構造体

Claims (4)

  1. 発光構造体と、前記発光構造体に形成される透明導電層と、前記透明導電層に形成される透明保護層と、を備える発光ダイオードチップにおいて、前記透明保護層には、複数の孔が設けられ、前記透明導電層は、前記複数の孔を介して、前記透明保護層から露出し、複数の孔から露出する前記透明導電層の表面にマイクロ構造体が形成されることを特徴とする発光ダイオードチップ。
  2. 前記発光構造体は、基板並びに前記基板に順次に形成される第一半導体層、活性層、及び第二半導体層を備え、前記第一半導体層は、Ｎ型窒化ガリウム層であり、第二半導体層は、Ｐ型窒化ガリウム層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チップ。
  3. 前記発光ダイオードチップは、第一電極及び第二電極をさらに備え、前記第一電極は、透明導電層に形成され且つ前記透明保護層から露出し、前記第二電極は、第一半導体層に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオードチップ。
  4. 発光構造体を提供するステップと、
    前記発光構造体に透明導電層及び透明保護層を順次に形成するステップと、
    前記透明保護層に複数の孔を設け、前記透明導電層を孔の底部から露出させるステップと、
    前記孔の底部から露出する前記透明導電層の表面を粗化して複数のマイクロ構造体を形成するステップと、を備えることを特徴とする発光ダイオードチップの製造方法。
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