JP2013529846A - 発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】光抽出効率を向上させた発光ダイオードを提供すること。
【解決手段】本発明は、発光ダイオードに関し、この発光ダイオードは、基板と、基板の上部に位置する第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上部に位置する活性層と、活性層の上部に位置する第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層と活性層との間、または第２の窒化物半導体層と活性層との間に介在され、内部に複数の散乱要素を有する第３の窒化物半導体層と、基板の下部に位置する多層構造の分布ブラッグ反射器と、を備え、基板は、分布ブラッグ反射器と第３の窒化物半導体層との間に配置される。
【解決手段】本発明は、発光ダイオードに関し、この発光ダイオードは、基板と、基板の上部に位置する第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上部に位置する活性層と、活性層の上部に位置する第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層と活性層との間、または第２の窒化物半導体層と活性層との間に介在され、内部に複数の散乱要素を有する第３の窒化物半導体層と、基板の下部に位置する多層構造の分布ブラッグ反射器と、を備え、基板は、分布ブラッグ反射器と第３の窒化物半導体層との間に配置される。
Description
本発明は、発光ダイオードに関し、特に、光抽出効率を改善した発光ダイオードに関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオードは、表示素子及びバックライト用に広く用いられている。また、発光ダイオードは、既存の電球または蛍光灯に比べて、消費電力が小さく、長寿命であり、白熱電球及び蛍光灯を代替し、一般照明用途としてその使用領域を広げている。特に、例えば、白色光のような混色光を放出する多様な種類の発光ダイオードパッケージが市販されている。白色光発光ダイオードは、バックライトユニット、一般照明等に用いられる。
発光ダイオードパッケージの光効率は、主に発光ダイオードの光効率に依存するので、発光ダイオードの光効率を改善するための努力が続いている。特に、発光ダイオードの光抽出効率を改善するための努力が続いている。
一般に、窒化ガリウム系窒化物半導体は、サファイアまたはシリコン炭化物のような異種基板上に成長される。特に、パターニングされたサファイア基板（ＰＳＳ）上に窒化物半導体層を形成し、その窒化物半導体層を用いて発光ダイオードを製造するために前記ＰＳＳが一般に用いることができる。パターニングされたサファイア基板は、活性領域から基板側へ放射される光を散乱させ、光抽出効率を向上させる。また、サファイアのような透明基板の下部面に金属反射器を形成し、サファイア基板から放出される光を反射させることにより、光効率を向上させる技術が知られている。
しかしながら、活性層で生成した光がサファイア基板面において散乱するまで、光は、相当の距離を進行しなければならない。また、サファイア基板面において散乱した後も、光放出面まで相当の距離を進行しなければならない。また、これにより、光経路が長くなり、光損失が生じてしまい、散乱した光がさらに内部全反射により窒化物半導体層内に閉じ込められることもある。
また、サファイア基板の下部面に形成された反射金属層、例えば、アルミニウムは、可視光線のほぼ全波長領域にわたって約８０％の反射率を示す。このような反射率は、相対的に高い方ではあるが、反射金属層が形成されていても依然として光損失が発生するので、さらに改善する余地がある。
一方、サファイアは、電気的に不導体であるので、発光ダイオード構造を横型構造に制限する。これにより、最近は、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層を成長させ、前記エピ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の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１参照）。
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２３、活性層２５、ｐ型層２７を順次形成し、ｐ型層２７上にｐ型電極３９を形成し、ｐ型電極３９をボンディング金属４３を介してＳｉサブマウント４１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２３上にｎ‐電極３７を形成することにより製造される。一方、Ｓｉサブマウント４１の下部面には、ｎ型電極４５が形成される。さらには、前記特許文献１では、露出したｎ型層２３の表面にドライまたは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ている。
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、光抽出効率を向上させた発光ダイオードを提供することにある。
本発明の他の目的は、光反射率を改善し、光効率をさらに高めた発光ダイオードを提供することにある。
本発明のまた他の目的は、可視光線の全波長領域にわたって高い反射率を示す反射器を採用した発光ダイオードを提供することにある。
本発明の追加の特徴は、以下の詳細な説明に述べられており、一部には、その説明から当業者には容易に明白であり、または、本発明を実施することによって認識されるであろう。
本発明の一実施例による発光ダイオードは、基板と、前記基板上に位置する第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に位置する活性層と、前記活性層上に位置する第２の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層と前記活性層との間、または前記第２の窒化物半導体層と前記活性層との間に介在され、内部に複数の散乱要素を有する第３の窒化物半導体層と、多層構造の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、を備え、前記基板は、前記分布ブラッグ反射器と前記第３の窒化物半導体層との間に位置する。
本発明の他の実施例による発光ダイオードは、支持基板上に位置する半導体スタックと、前記支持基板と前記半導体スタックとの間に位置し、前記半導体スタックにオーム接触し、前記半導体スタックの外部に露出した領域を有する第１電極と、前記第１電極の前記第１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のボンディングパッドと、前記半導体スタック上に位置する第２電極と、を備える。前記第１の導電型半導体層と前記第２の導電型半導体層の少なくとも一つは、互いに離隔して配置された複数の散乱要素を有する。前記半導体スタックは、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する。
上述した一般の説明と、以下に提示される詳細な説明は、典型的かつ説明的なものであり、請求された発明をさらに理解させるために提供されるものと認識されなければならない。
本発明によると、活性層で発生した光を散乱させる絶縁パターンを通じて光抽出効率を向上させることができる。また、光散乱特性は、低い反射率を有するエアギャップのような絶縁パターンを形成して向上させることもできる。また、電流は、前記絶縁パターンにより水平方向に一定に広がるので、発光効率と静電放電特性を向上させることができる。さらには、多層構造の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）が基板の底面に位置するので、基板を通過して下方に向かう光が反射され、光抽出効率が増大する。さらに、可視光線スペクトルの全波長領域にわたって反射率の高い分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を採用することにより、白色光の発光ダイオードパッケージに好適な発光ダイオードを提供することができる。また、内部全反射による光損失は、粗面となった散乱パターンが用いられることにより減少し、よって、光抽出効率は極大化する。
以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施例について詳述する。以下に紹介される実施例は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。従って、本発明は、後述する実施例に限定されず、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。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
添付の図面は、発明の更なる理解を提供し、詳細な説明の一部を構成して発明の実施例を図示し、詳細な説明と一緒に発明の思想の理解を助けるために含まれたものである。
添付の図面は、発明の更なる理解を提供し、詳細な説明の一部を構成して発明の実施例を図示し、詳細な説明と一緒に発明の思想の理解を助けるために含まれたものである。
要素や層が他の要素や層の「上に」存在し、またはそれに「接続する」との表現は、前記他の要素や層が真上に存在し、または直接接続するものだけではなく、また他の要素や層がその間に介在されてもよいものと理解されなければならない。対照的に、ある要素が他の要素や層の「真上に」または「直接接続する」との表現は、その間に他の要素や層が介在されていないことを意味する。
図２は、本発明の一実施例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３ａは、図２の部分拡大断面図である。
図２を参照すると、前記発光ダイオードは、基板１２１、第１の窒化物半導体層１２５、活性層１２７、第２の窒化物半導体層１３１、第３の窒化物半導体層１２６、及び多層構造の分布ブラッグ反射器１４５を備える。前記第３の窒化物半導体層１２６は、絶縁パターン１２６ａを有する。また、前記発光ダイオードは、バッファ層１２３、クラッド層１２９、反射金属層１５１、及び保護金属層１５３をさらに有してもよい。
前記基板１２１は、透明基板であれば特に限定されない。例えば、サファイアまたはＳｉＣ基板であってもよい。また、前記基板１２１は、パターニングされたサファイア基板（ＰＳＳ）のように、上部面に所定のパターンを有してもよい。一方、前記基板１２１の面積は、発光ダイオードチップの全体面積を決定する。本発明の実施例において、前記発光ダイオードの面積が相対的に大きいほど、散乱及び反射効果が増加する。前記基板１２１は、９０，０００μｍ２以上であることが好ましく、より好ましくは１ｍｍ２以上である。
前記基板１２１の上部に、第１の窒化物半導体層１２５、第３の窒化物半導体層１２６、活性層１２７、クラッド層１２９、及び第２の窒化物半導体層１３１が位置する。活性層１２７は、前記第１及び第２の窒化物半導体層１２５、１３１間に位置する。ここで、第１の窒化物半導体層１２５と第２の窒化物半導体層１３１は、それぞれ互いに反対の導電型である。例えば、それぞれは、ｎ型及びｐ型であってもよく、またはその反対であってもよい。
前記第１の窒化物半導体層１２５、活性層１２７、クラッド層１２９、及び第２の窒化物半導体層１３１は、窒化ガリウム系化合物半導体物質、すなわち、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎで形成されてもよい。前記活性層１２７は、要求される波長の光、例えば、紫外線または青色光を放出するように組成元素及び組成比が決定される。前記第１の窒化物半導体層１２５及び／または第２の窒化物半導体層１３１は、図示のように、単一層で形成されてもよいが、これに限定されるものではなく、多層構造で形成されてもよい。前記第１及び第２の窒化物半導体層１２５、１３１は、それぞれｎ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層であってもよい。また、活性層１２７は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成されてもよい。また、前記基板１２１と第１の窒化物半導体層１２５との間にバッファ層１２３が介在されてもよい。
一方、第３の窒化物半導体層１２６は、第１の窒化物半導体層１２５と活性層１２７との間に位置し、内部に散乱要素１２６ａを有する。散乱要素１２６ａは、シリコン酸化物またはシリコン窒化物で絶縁層を形成し、絶縁層をフォト及びエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成されてもよい。散乱要素１２６ａが第１の窒化物半導体層１２５や第３の窒化物半導体層１２６の一部分に形成された後、第３の窒化物半導体層１２６は、選択横方向成長（ＥＬＯＧ）法のような方法で成長されてもよい。これとは異なり、図３ａに示すように、下部窒化物半導体層１２６ｂを成長させた後、ナノインプリント等のようなフォト及びエッチング技術を用いて下部窒化物半導体層１２６ｂをパターニングし、さらに上部窒化物半導体層１２６ｃを再成長させることにより、例えば、エアギャップからなる散乱要素１２６ａを形成することができる。前記散乱要素１２６ａは、島状（図３ｂ参照）、ストライプ状（図３ｃ参照）、メッシュ状（図３ｄ参照）等の多様な形状で形成されてもよい。散乱要素１２６ａ、例えば、エアギャップは、活性層１２７で生成した光を散乱することによって、窒化物半導体層内に前記生成光が閉じ込められることを防止し、光抽出効率を向上させる。さらには、前記散乱要素１２６ａは、絶縁パターンの役割をし、垂直方向に電流が集中して流れることを防止することにより、水平方向に電流を分散させて電流の分散を増加させる。上部窒化物半導体層１２６ｃにおける前記散乱要素１２６ａの上方に位置する部分と、下部窒化物半導体層１２６ｂにおける前記散乱要素１２６ａの下方に位置する部分は、前記散乱要素１２６ａの無い領域を通じて互いに電気的に連結され、電流通路を提供する。
さらに図３ａに戻って参照すると、散乱要素１２６ａ、例えば、エアギャップは、前記活性層１２７から所定の距離Ｄだけ離れて位置する。例えば、前記距離Ｄは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であってもよい。距離Ｄが１００ｎｍ未満であれば、再成長された上部窒化物半導体層１２６ｃの厚さが薄過ぎ、良質の活性層１２７を成長させることが困難である。また、距離Ｄが１０００ｎｍ以上であれば、前記散乱要素１２６ａにより光を散乱させて光抽出効率を向上させる効果が減少する。
一方、前記散乱要素１２６ａの各個体の幅Ｗ及び高さＨが、それぞれ５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であってもよい。すなわち、散乱要素１２６ａの寸法は、活性層１２７で生成した光を散乱させることができるナノスケールのサイズを有する。前記散乱要素１２６ａの寸法が、５０ｎｍ未満または１０００ｎｍ以上であれば、光散乱が発生することが困難である。
また、前記散乱要素１２６ａの相互間の間隔Ｌは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であってもよい。間隔Ｌが１００ｎｍ未満であれば、前記散乱要素１２６ａによる抵抗増加のために順方向電圧が高くなり過ぎ、１０００ｎｍを超えると、前記散乱要素１２６ａによる散乱効果が減少する。
一方、分布ブラッグ反射器１４５が基板１２１の下部面に位置する。分布ブラッグ反射器１４５は、屈折率の相違した層が交互に積層された多層構造を有する。例えば、ＳｉＯ２の第１層とＴｉＯ２またはＮｂ２Ｏ５の第２層を交互に積層して形成してもよい。前記第１層と第２層の厚さは、活性層１２７で生成した光の波長に対して高い反射率を示すように選択されるが、交互に積層される第１層または第２層が全て同一の厚さを有する必要はない。
さらには、活性層１２７で生成した光の波長だけでなく、可視光線の広い波長領域にわたって相対的に高い反射率、例えば、９０％以上の反射率を有するように、多数の分布ブラッグ反射器１４０、１５０が積層されてもよい。前記多数の分布ブラッグ反射器を積層することにより、可視領域の広い波長に対して高い反射率を示すことができる。例えば、本発明による発光ダイオードを実装して白色光を具現するパッケージの場合、前記活性層１２７で生成した光とは異なる波長の光が、前記発光ダイオードに入射される。この際、前記異なる波長の光を反射することによって、パッケージの光抽出効率を改善することができる。
図４及び図５は、可視光線の広い波長領域にわたって高い反射率を示す分布ブラッグ反射器を説明するための部分拡大断面図である。
図４を参照すると、前記基板１２１の下部に分布ブラッグ反射器１４５が位置する。前記分布ブラッグ反射器１４５は、第１の分布ブラッグ反射器１４０及び第２の分布ブラッグ反射器１５０を有する。
第１の分布ブラッグ反射器１４０は、第１の材料層１４０ａと第２の材料層１４０ｂの複数個の対が繰り返して形成され、第２の分布ブラッグ反射器１５０は、第３の材料層１５０ａと第４の材料層１５０ｂの複数個の対が繰り返して形成される。前記第１の材料層１４０ａ及び前記第２の材料層１４０ｂの複数個の対は、青色波長領域の光に比べて、緑色または赤色波長領域の光、例えば、５５０ｎｍまたは６３０ｎｍの光に対する反射率が相対的に高く、前記第２の分布ブラッグ反射器１５０は、赤色または緑色波長領域の光に比べて、青色波長領域の光、例えば、４６０ｎｍの光に対する反射率が相対的に高い。本実施例において、前記第１の分布ブラッグ反射器１４０内の材料層１４０ａ、１４０ｂの光学厚さが、前記第２の分布ブラッグ反射器１５０内の材料層１５０ａ、１５０ｂの光学厚さよりも厚い。しかし、これに限定されるものではなく、その反対であってもよい。
前記第１の材料層１４０ａは、前記第３の材料層１５０ａと同一の材料、すなわち、同一の屈折率を有してもよく、前記第２の材料層１４０ｂは、前記第４の材料層１５０ｂと同一の材料、すなわち、同一の屈折率を有してもよい。例えば、前記第１の材料層１４０ａ及び第３の材料層１５０ａは、ＴｉＯ２（屈折率ｎ：約２．５）で形成されてもよく、前記第２の材料層１４０ｂ及び第４の材料層１５０ｂは、ＳｉＯ２（屈折率ｎ：約１．５）で形成されてもよい。
一方、本実施例において、前記第１の材料層１４０ａの光学厚さ（屈折率×厚さ）は、第２の材料層１４０ｂの光学厚さと実質的に整数倍の関係にあり、これらの光学厚さは、実質的に互いに同一であってもよい。また、前記第３の材料層１５０ａの光学厚さは、第４の材料層１５０ｂの光学厚さと実質的に整数倍の関係にあり、これらの光学厚さは、実質的に互いに同一であってもよい。
また、前記第１の材料層１４０ａの光学厚さが前記第３の材料層１５０ａの光学厚さよりも厚く、前記第２の材料層１４０ｂの光学厚さが前記第４の材料層１５０ｂの光学厚さよりも厚い。前記第１乃至第４の材料層１４０ａ、１４０ｂ、１５０ａ、１５０ｂの光学厚さは、各材料層の屈折率及び／または実際の厚さを調節して制御することができる。
さらに図２を参照すると、前記分布ブラッグ反射器１４５の下部にＡｌ、ＡｇまたはＲｈ等の反射金属層１５１が形成されてもよく、前記分布ブラッグ反射器１４５を保護するための保護層１５３が形成されてもよい。前記保護層１５３は、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔａ、及びＡｕから選ばれたいずれか一つの金属層またはこれらの合金で形成されてもよい。前記保護層１５３は、分布ブラッグ反射器１４５を外部の衝撃や汚染から保護する。
本実施例によると、長波長の可視光線に対して反射率が相対的に高い第１の分布ブラッグ反射器１４０と、短波長の可視光線に対して反射率が相対的に高い第２の分布ブラッグ反射器１５０とが互いに積層された構造の分布ブラッグ反射器１４５が積層される。分布ブラッグ反射器１４５は、これらの第１の分布ブラッグ反射器１４０と第２の分布ブラッグ反射器１５０の組合せにより、可視光線領域の大部分の領域にわたって光に対する反射率を高くすることができる。
一般に、分布ブラッグ反射器は、特定波長の範囲の光に対する反射率は高いが、他の波長範囲の光に対する反射率が相対的に低い。そのため、白色光を放出する発光ダイオードパッケージにおいては、光効率の向上に限界がある。しかし、本実施例によると、分布ブラッグ反射器１４５が青色波長領域の光だけでなく、緑色波長領域の光及び赤色波長領域の光に対しても高い反射率を有することができるので、発光ダイオードパッケージの光効率を改善することができる。
本実施例において、第１の分布ブラッグ反射器１４０と第２の分布ブラッグ反射器１５０の２つの反射器について説明しているが、さらに多数の反射器が用いられてもよい。さらに多数の反射器が用いられる場合、長波長に対して反射率の相対的に高い反射器が、発光構造体に相対的に近く位置することが好ましい。
また、本実施例において、前記第１の分布ブラッグ反射器１４０内の第１の材料層１４０ａの厚さは互いに相違してもよく、また、第２の材料層１４０ｂの厚さも互いに相違してもよい。また、前記第２の分布ブラッグ反射器１５０内の第３の材料層１５０ａの厚さは互いに相違してもよく、また、第４の材料層１５０ｂの厚さも互いに相違してもよい。前記各材料層の厚さは、可視光線の全波長領域にわたって９０％以上の反射率を有するように選択される。
本実施例において、前記材料層１４０ａ、１４０ｂ、１５０ａ、１５０ｂがＳｉＯ２またはＴｉＯ２で形成されるものと説明しているが、これらに限定されず、他の材料層、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２Ｏ５、化合物半導体等で形成されてもよい。但し、前記第１の材料層１４０ａと前記第２の材料層１４０ｂの屈折率差及び前記第３の材料層１５０ａと前記第４の材料層１５０ｂの屈折率差が、それぞれ０．５よりも大きいことが好ましい。
さらには、前記分布ブラッグ反射器１４５の第１層及び最終層はＳｉＯ２であってもよい。ＳｉＯ２層を分布ブラッグ反射器１４５の第１層及び最終層に配置することにより、第１の分布ブラッグ反射器１４０を安定的に基板１２１に付着し、また、第２の分布ブラッグ反射器１５０を保護することができる。
図５は、本発明の他の実施例による分布ブラッグ反射器１５５を説明するための断面図である。上述した図４では、分布ブラッグ反射器１４５が第１の分布ブラッグ反射器１４０と第２の分布ブラッグ反射器１５０の積層構造であるものと図示及び説明されている。これとは異なり、本実施例による分布ブラッグ反射器１５５では、第１の材料層１４０ａと第２の材料層１４０ｂの複数個の対と、第３の材料層１５０ａと第４の材料層１５０ｂの複数個の対が混ざっている。すなわち、第３の材料層１５０ａと第４の材料層１５０ｂの少なくとも一対が、第１の材料層１４０ａと第２の材料層１４０ｂの複数個の対間に位置し、また、第１の材料層１４０ａと第２の材料層１４０ｂの少なくとも一対が、第３の材料層１５０ａと第４の材料層１５０ｂの複数個の対間に位置する。ここで、前記第１乃至第４の材料層１４０ａ、１４０ｂ、１５０ａ、１５０ｂの光学厚さは、可視光線領域の広い範囲にわたって光に対する高い反射率を有するように制御される。
以上、可視光線の広い波長領域にわたって反射率の高い分布ブラッグ反射器についていくつかの例を挙げて説明したが、屈折率の相違した層を繰り返して積層することにより、多様な構造の分布ブラッグ反射器を形成することができる。これらの層の光学厚さを制御することにより、可視光線領域の全体波長領域にわたって高い反射率を有する分布ブラッグ反射器を形成することができる。
図６は、本発明のまた他の実施例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６を参照すると、本実施例による発光ダイオードは、図２を参照して説明した発光ダイオードとほぼ類似している。但し、内部に絶縁パターン、例えば、エアギャップのような散乱要素１３０ａを有する第３の窒化物半導体層１３０が、第２の窒化物半導体層１３１と活性層１２７との間に位置することが、図２のＬＥＤに対して異なる。
すなわち、第３の窒化物半導体層１３０が活性層１２７の上部のクラッド層１２９上に位置し、第３の窒化物半導体層１３０上に第２の窒化物半導体層１３１が位置する。前記散乱要素１３０ａは、前記散乱要素１２６ａと同様に、活性層１２７で生成した光を散乱させて光抽出効率を向上させ、第３の窒化物半導体層１３０の抵抗を増加させて電流分散を助ける。
図７は、本発明のまた他の実施例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７を参照すると、本実施例による発光ダイオードは、図６を参照して説明した発光ダイオードとほぼ類似している。但し、内部に散乱要素１３０ａ、例えば、エアギャップを有する第３の窒化物半導体層１３０がクラッド層１２９と活性層１２７との間に位置することが、図６のＬＥＤに対して異なる。本実施例によると、図６を参照した実施例に比べて、前記散乱要素１３０ａを活性層１２７にさらに近く配置することができる。
図６及び図７の実施例において、前記散乱要素１３０ａは、活性層１２７が成長した後、第３の窒化物半導体層１３０内に形成されるので、第３の窒化物半導体層１２６が第１の窒化物半導体層１２５と活性層１２７との間に位置する場合に比べて、前記散乱要素１３０ａは活性層１２７にさらに近く位置することができる。例えば、前記散乱要素１３０ａは、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で活性層１２７から離れて位置することができる。
上述した実施例において、散乱要素１３０ａが活性層１２７の下方または上方に配置された発光ダイオードについて説明した。しかし、前記散乱要素１３０ａは、活性層１２７の両方に配置されてもよい。
上述した説明において、エアギャップの幅Ｗ及び高さＨ、エアギャップの間隔Ｌ及び離隔距離Ｄの範囲について説明した。しかし、これらの寸法範囲は、エアギャップだけでなく、シリコン窒化物またはシリコン酸化物で形成された絶縁パターンについても同様に適用される。
図８及び図９は、それぞれ本発明のまた他の実施例による発光ダイオードを説明するための断面図及び斜視図である。
図８及び図９を参照すると、前記発光ダイオードは、支持基板２７１、ボンディング金属２７３、半導体スタック２５０、ｐ‐電極２６０、ｎ‐電極２６９、ｐ‐ボンディングパッド２６５を有する。
支持基板２７１は、化合物半導体層を成長させるための成長基板から区別され、既に成長された化合物半導体層に付着した２次基板である。前記支持基板は、導電性である必要がなく、前記支持基板は、例えば、サファイア支持基板であってもよい。前記支持基板２７１は、サファイア基板であってもよいが、これに限定されず、他種の絶縁または導電基板であってもよい。特に、支持基板２７１としてサファイア基板を用いる場合、前記支持基板２７１は、サファイア成長基板と同一の熱膨張係数を有する。そのため、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る。また、堅い基板が支持基板として用いられてもよく、これは、ＬＥＤが変形することを防止し、半導体スタック２５０は、支持基板２７１により支持される。
半導体スタック２５０は、支持基板２７１上に位置し、ｐ型化合物半導体層２５７、活性層２５５、及びｎ型化合物半導体層２５３を有する。ここで、前記半導体スタック２５０は、ｐ型化合物半導体層２５７がｎ型化合物半導体層２５３に比べて支持基板２７１側に近く位置しており、垂直型発光ダイオードを形成する。前記半導体スタック２５０は、支持基板２７１の一部領域上に位置する。すなわち、支持基板２７１が半導体スタック２５０に比べて相対的に広い面積を有し、半導体スタック２５０は、前記支持基板２７１の周縁で取り囲まれた領域内に位置する。
ｎ型化合物半導体層２５３、活性層２５５、及びｐ型化合物半導体層２５７は、III‐Ｎ系化合物半導体、例えば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの半導体で形成されてもよい。ｎ型化合物半導体層２５３及びｐ型化合物半導体層２５７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２５３及び／またはｐ型化合物半導体層２５７は、コンタクト層とクラッド層を有してもよく、さらに超格子層を有してもよい。また、前記活性層２５５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２５３が、支持基板２７１の反対側に位置することにより、ｎ型化合物半導体層２５３の上部面に粗面が形成されてもよい。粗面は、活性層２５５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２５３は、表面に粗面を有してもよい。すなわち、ｎ型化合物半導体層２５３の表面に、ドライエッチングまたは光電気化学（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。
一方、ｎ型化合物半導体層２５３は、内部に互いに離隔して形成された複数の散乱要素２６３を有してもよい。前記散乱要素２６３は、図２、図３ａ、図６、また図７を参照した実施例の散乱要素１２６ａ、１３０ａと同一の特徴を有する。
散乱要素２６３は、活性層２５５で生成した光を散乱させ、内部全反射臨界角を拡大させることができる。このように散乱要素２６３を通じて光を散乱させ、以降、前記散乱要素２６３の表面上に形成された粗面を通じて光を散乱させ、内部全反射臨界角を２次にわたって拡大させることにより、光抽出効率を向上させることができる。
散乱要素２６３は、島の行列形状、複数個のライン、または網状等の様々な形状であってもよい。
散乱要素２６３による光の散乱は、散乱要素２６３とｎ型化合物半導体層２５３の屈折率差に起因する。したがって、散乱要素２６３は、ｎ型化合物半導体層２５３と屈折率の異なる材質を用いて形成されてもよい。例えば、散乱要素２６３は、酸化物または空気層であってもよい。また、散乱要素２６３は、反射ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であってもよい。
散乱要素２６３は、相違した屈折率を有する２つ以上の絶縁層が交互に積層されて形成されてもよい。例えば、ＳｉＯ２層とＳｉ３Ｎ４層が交互に積層される。
散乱要素２６３は、ｎ型化合物半導体層２５３を一部成長させた後、屈折率の相違した２つ以上の絶縁層を交互に多数の層で積層し、フォトリソグラフィ技術を用いて積層された絶縁層をパターニング、エッチングして形成される。散乱要素２６３を構成する絶縁層は、反射膜の形態で交互に積層される。例えば、前記絶縁槽は、ＳｉＯ２層とＳｉ３Ｎ４層が繰り返して交互に多数の層で積層される。
一部成長されたｎ型化合物半導体層２５３に散乱要素２６３が形成された後は、残りのｎ型化合物半導体層２５３を形成する。
散乱要素２６３は、屈折率の相違した２つ以上の絶縁層を交互に多数層で積層して生成することにより、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）の機能を行う。こうして、実施例と同様に、活性層２５５で発生した光が、散乱要素２６３により反射されて散乱が効率的に行われるようにする。
ｐ‐電極２６０は、ｐ型化合物半導体層２５１と支持基板２７１との間に位置し、ｐ型化合物半導体層２５７にオーム接触する。ｐ‐電極２６０は、反射層２５９及び保護金属層２６１を有してもよい。反射層２５９が、半導体スタック２５０と支持基板２７１との間に埋め込まれるように、保護金属層２６１が反射層２５９を取り囲むことができる。前記反射層２５９は、例えば、Ａｇのような反射金属で形成され、保護金属層２６１は、例えば、Ｎｉで形成される。前記保護金属層２６１は、支持基板２７１の全面上に位置してもよい。したがって、前記保護金属層２６１は、半導体スタック２５０の外部に露出した領域を有する。
保護金属層２６１上にｐ型ボンディングパッド２６５が位置してもよい。ｐ型ボンディングパッド２６５は、ｐ‐電極２６０を介してｐ型化合物半導体層２５７に電気的に接続する。
一方、ボンディング金属２７３は、支持基板２７１とｐ‐電極２６０との間に位置し、半導体スタック２５０と支持基板２７１を結合させる。ボンディング金属２７３は、例えば、共融ボンディング等を用いてＡｕ‐Sｎで形成される。
ｐ‐電極２６０は、ボンディング金属２７３を介して支持基板２７１にフリップボンディングされ、ｎ型化合物半導体層２５３は、成長基板の除去を通じて露出する。
一方、ｎ‐電極２６９は、半導体スタック２５０上に位置し、前記ｎ型化合物半導体層２５３に電気的に接続する。
露出したｎ型化合物半導体層２５３は、ドライエッチングまたは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。
上述した実施例において、ｐ型化合物半導体層２５７が、ｎ型化合物半導体層２５３に比べて、支持基板２７１側に近く位置するものと説明した。しかし、本発明は、これに限定されず、それらの層がその逆で配置されてもよい。この場合、ｎ‐電極２６９とｐ‐電極２６０及びｐ型ボンディングパッド２６５は、極性が互いに入れ替わる。
本発明のいくつかの実施例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更が可能であろう。したがって、上述した実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、単に更なる理解のためのものと認識されなければならない。
１２１ 基板
１２３ バッファ層
１２５ 第１の窒化物半導体層
１２６ 第３の窒化物半導体層
１２７ 活性層
１２９ クラッド層
１３１ 第２の窒化物半導体層
１４０ 第１の分布ブラッグ反射器
１５０ 第２の分布ブラッグ反射器
１４５ 分布ブラッグ反射器
１５１ 反射金属層
１５３ 保護層
１２３ バッファ層
１２５ 第１の窒化物半導体層
１２６ 第３の窒化物半導体層
１２７ 活性層
１２９ クラッド層
１３１ 第２の窒化物半導体層
１４０ 第１の分布ブラッグ反射器
１５０ 第２の分布ブラッグ反射器
１４５ 分布ブラッグ反射器
１５１ 反射金属層
１５３ 保護層
Claims (20)
- 基板と、
前記基板上に位置する第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に位置する活性層と、
前記活性層上に位置する第２の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層と前記活性層との間、または前記第２の窒化物半導体層と前記活性層との間に介在され、内部に複数の散乱要素を有する第３の窒化物半導体層と、
多層構造の分布ブラッグ反射器と、を備え、
前記基板は、前記分布ブラッグ反射器と前記第３の窒化物半導体層との間に位置することを特徴とする発光ダイオード。 - 前記絶縁要素は、第３の窒化物半導体層で取り囲まれたエアギャップから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。
- 前記エアギャップは、前記活性層から５０ｎｍ〜１０００ｎｍ離れて位置することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
- 前記エアギャップの相互間の間隔は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内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。
- 前記エアギャップは、幅及び高さが、それぞれ５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
- 前記第３の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層と前記活性層との間に位置し、前記エアギャップは、前記活性層から１００ｎｍ〜１０００ｎｍ離れて位置することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
- 前記第３の窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層と前記活性層との間に位置し、前記エアギャップは、前記活性層から５０ｎｍ〜５００ｎｍ離れて位置することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
- 前記エアギャップと前記活性層との間にクラッド層をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
- 前記分布ブラッグ反射器は、青色波長領域の第１波長の光、緑色波長領域の第２波長の光、及び赤色波長領域の第３波長の光に対して少なくとも９０％以上の反射率を有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。
- 反射金属層をさらに有し、前記分布ブラッグ反射器は、前記基板と前記反射金属層との間に位置することを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
- 前記散乱要素は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物で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。
- 前記散乱要素は、島の行列形状、複数個のライン、または網状で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。
- 第１の導電型半導体層、活性層、第２の導電型半導体層を有し、支持基板上に位置する半導体スタックと、
前記支持基板と前記半導体スタックとの間に位置し、前記半導体スタックにオーム接触し、前記半導体積層構造の外部に露出した第１領域を有する第１電極と、
前記第１電極の前記第１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のボンディングパッドと、
前記半導体スタック上に位置する第２電極と、を備え、
前記第１の導電型半導体層と前記第２の導電型半導体層の少なくとも一つは、相互に離隔して位置する複数の散乱要素を有することを特徴とする発光ダイオード。 - 前記散乱要素は、分布ブラッグ反射器または空気層で形成されたことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
- 前記第１電極は、反射層及び保護層を有し、前記反射層は、前記半導体スタックと前記保護層との間に配置されたことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
- 前記反射層は、前記半導体スタック及び前記保護層で完全に覆われたことを特徴とする請求項１５に記載の発光ダイオード。
- 前記散乱要素は空気層を有し、活性層から５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で離れて位置することを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
- 前記散乱要素は、幅及び高さが、それぞれ５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１７に記載の発光ダイオード。
- 前記散乱要素の相互間の間隔は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１７に記載の発光ダイオード。
- 前記散乱要素は、島の行列形状、複数個のライン、または網状で形成されたことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
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