JP2014017520A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子は第2導電型半導体層21と、前記第2導電型半導体層の上に活性層22と、前記活性層の上に第1導電型半導体層23と、前記第1導電型半導体層の上に光抽出構造を含む非伝導性半導体層と、が含まれる。また、第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層の上に活性層と、前記活性層の上に第1導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層の上に非伝導性半導体層と、前記非伝導性半導体層上に光抽出構造25と、が含まれる。発光素子の製造方法は基板の上に非伝導性半導体層を形成する段階と、前記非伝導性半導体層の上に第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を形成する段階と、前記第2導電型半導体層の上に第2電極層を形成する段階と、前記基板を除去する段階と、前記非伝導性半導体層に光抽出構造を形成する段階と、が含まれる。
【選択図】図15
Description
よって決定される。これは、放出される光の波長が、価電子帯の電子と伝導帯の電子の間
のエネルギーの差である半導体材料のバンドギャップに関係するからである。
び照明用の光源として使われており、蛍光物質を用いたり様々な色のLEDを組み合わせ
ることで、優れた効率の白色光を発光するLEDの具現も可能である。
造、チップの大きさ、発光ダイオードを囲むモールディング部材の種類等と様々な条件に
よって左右される。
前記活性層の上に第1導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層の上に光抽出構造を含
む非伝導性半導体層と、が含まれる。
層と、前記活性層の上に第1導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層の上に非伝導性
半導体層と、前記非伝導性半導体層の上に光抽出構造を含む光抽出層と、が含まれる。
伝導性半導体層の上に第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を形成する段
階と、前記第2導電型半導体層の上に第2電極層を形成する段階と、前記基板を除去する
段階と、前記非伝導性半導体層に光抽出構造を形成する段階と、が含まれる。
。
がら、以下において詳述されることになる。本発明は、これらの実施例に限定されるもの
ではなく、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の思想と合致する全ての修正
、均等及び代用を含む。なお、同一参照番号は図面の説明により同一要素を現わす。図面
における各層及び領域の寸法は、説明の明確性を図り誇張して図示されている。
存在すると記述される場合は、他の構成要素の上または下に直接、または他の要素が介在
して間接的に存在することを皆含む。例えば、表面のような構成要素の一部が“内部”と
表現される場合は、その要素の他の部分に比べて素子の外側から離れていることを意味す
ることと理解されるべきである。また、各要素の方向の説明は図面を基準とするものであ
る。まあ、“直接/directly”という用語は間に介在される要素が素材しないことを意味
する。また、“及び/または”という用語は記述される関連項目中の1つまたはそれ以上
のいずれかの組合せ及び全ての組合せを含む。
を説明する。
光素子の説明図である。
ープ(アンドープド;un-doped)GaN層24と、前記非ドープGaN層24の上に形成
された発光半導体層20と、前記発光半導体層20の上に形成されたオーミック接触層3
0が含まれる。
21が含まれる。前記発光半導体層20はGaN系の物質からなることができる。
体層21はp−半導体層にすることができ、また前記第1導電型半導体層23がp−半導
体層である場合、前記第2導電型半導体層21はn−半導体層にすることができる。
前記オーミック接触層30の上には第2電極層120を形成することができる。
0の上で成長されるが、例えば、前記基板10はGaN系の物質層より相対的に屈折率が
低いサファイア基板を用いることができる。前記GaN系の物質層は約5μmの厚さを有
するので、多様な高次モードが存在する導波管(waveguide)にみなすことができる。
前記第2電極層120と前記第2導電型半導体層21の間の抵抗を減少させるために、オ
ーミック接触層30が前記第2導電型半導体層21の上に形成される。例えば、前記オー
ミック接触層30はITOのような透明電極層からなることができる。
onic crystal)40を導入する際、エッチング可能な最大深さは前記オーミック接触層3
0及び第2導電型半導体層21の厚さの和の値となる。
0nmで、よってエッチング可能深さが100〜300nmに制限されるので、優れる光
抽出効率を有するフォトニック結晶40の形成には限界がある。
成された発光半導体層20が含まれる。
21が含まれる。図示されないが、前記第1導電型半導体層23の上には前記第2電極層
50と前記活性層22に電源を提供するための第1電極層を形成することができる。
収法により除去する。そして、前記第2導電型半導体層21に、反射層と電極の役割を同
時に担うことができる多層金属薄膜からなる第2電極層50を形成する。
なることができ、NiまたはAgのような金属を含むことができる。
50を形成する。
達する可能性が高く、前記第2電極層50を介在して熱の排出が容易である長所がある。
されるので、光抽出効率を高めることができるフォトニック結晶40の導入が容易である
長所がある。
るので、前記フォトニック結晶40の導入の際、エッチング可能な最大深さが大きい。
る場合が多いので、エッチング可能な最大深さが大きいということは、効果的なフォトニ
ック結晶40の形成において制約が少ないという長所がある。
り放出される光の波長より短いという特徴がある。即ち、垂直型発光素子は、前記第2導
電型半導体層21の厚さが光の波長より小さいという特徴がある。
反射特性を利用して放射パターンを調節でき、光抽出効率を高めることも可能である。
ォトニック結晶40での単位パターンの周期(lattice constant)、例えば直径のような単
位パターンの大きさ、単位パターンの深さまたは高さ、単位パターンが平面上に配置され
た形態等の構造因子によって、前記回折効率が変化する。
た形態を例示的に示す図面である。
には複数の単位パターン41が三角格子形態に配置されているのが図示され、図5には複
数の単位パターン41がアルキメデス格子形態に配置されているのが図示され、図6には
複数の単位パターン41の平均距離が一定である擬似ランダム形態に配置されているのが
図示され、図7には複数の単位パターン41がランダム形態に配置されているのが図示さ
れている。
記回折効率に影響を与え、それにより光抽出効率が変化する。
対するシミュレーションを行った結果を示している。
ターン41として、前記単位パターン41の間の間隔、即ちパターン周期(lattice const
ant)を変化させた場合、略周期が800nmの付近で最大光抽出効率が得られることが分
かる。この時、光抽出効率の相対的増大比は約2倍となる。
ルを単位パターン41として、前記単位パターン41のホール半径を変化させた場合、ホ
ールの半径が0.325a〜0.40aである時優れる光抽出効率を現わし、ホールの半径
が0.35aである時光抽出効率が最大となることが分かる。この時、光抽出効率の相対
的増大比は約2.4倍となる。
ッチング深さとパターン周期aを変化させた場合、パターン周期aが600nmではエッ
チング深さとはほとんど関係なく光抽出効率が優れているが、パターン周期aが1400
nmではエッチング深さが450nm〜900nmの場合光抽出効率が優れていることが
分かる。
るので、パターン周期が1000nm以上になる場合光抽出効率が減少することがある。
しかし、図2で説明した垂直型発光素子の場合、ホールのエッチング深さを450nm以
上にできるので、パターン周期aが変化しても光抽出効率がほとんど減少しない。
結果を示している。
1に示すように、基板10の上に非伝導性半導体層24、発光半導体層20、第2電極層
50を形成する。
21が含まれる。
を含む。例えば、前記導電性基板53はチタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、
アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、及びタングステン(W)中の少なくともいず
れか1つからなることができ、前記反射層52は光反射率が高い銀(Ag)、アルミニウム
(Al)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)中の少なくともいずれか1つを含む金属からなること
ができ、前記オーミック接触層51は透明電極層からなることができ、例えば、ITO、
ZnO、RuOx、TiOx、IrOx中の少なくともいずれか1つからなることができ
る。
1より電気伝導性が著しく低い物質から形成された半導体層を指し、例えば、前記非伝導
性半導体層24は非ドープGaN層にすることができる。
、前記基板10はレーザー吸収法により除去することができる。
を選択的に除去して、前記第1導電型半導体層23の一部が上側方向に露出されるように
し、前記第1導電型半導体層23の上に第1電極層60を形成する。
、フォトニック結晶40は光抽出効率を高めることができる多様な形態のパターンを含む
光抽出構造である。
に選択的にエッチングして形成する。
さにエッチングする場合、光抽出効率がより向上される。ここで、nは前記非伝導性半導
体層24の屈折率であり、λは前記活性層22より放出される光の波長である。ここで、
前記エッチング深さは、本発明の他の実施例にも適用することができる。
伝導性半導体層24を除去せず、前記非伝導性半導体層24の上にフォトニック結晶40
を形成する。
なエッチング深さを有する単位パターンを形成することができる。
極層60が形成された形態が図示されている。
性半導体層24及び第1導電型半導体層23を選択的にエッチングして前記フォトニック
結晶40を形成することも可能である。
施例の説明において、前記第3実施例と同様な部分に対しては、その詳しい説明を省略す
る。
0を除去した後、前記非伝導性半導体層24の上に光抽出層25、26を形成する。
を選択的に除去し、第1電極層60を形成できるようにする。
を形成する。前記光抽出層25、26は前記非伝導性半導体層24と屈折率が同一または
大きい物質からなることができる。例えば、前記光抽出層25、26はTiO2またはS
i3N4からなることができる。
効果はより向上され、前記光抽出層25、26は前記非伝導性半導体層24の上に形成さ
れるので、発光素子の電気的特性には影響を与えない。
6には前記フォトニック結晶40が半球形態に形成されたものが図示されている。
25、26及び前記非伝導性半導体層24を選択的にエッチングして前記フォトニック結
晶40を形成することも可能である。
施例の説明において、前記第4実施例と同様な部分に対しては、その詳しい説明を省略す
る。
伝導性半導体層24の上に第1光抽出層27及び第2光抽出層28を形成する。
電型半導体層23を選択的に除去し、第1電極層60を形成できるようにする。また、前
記第1光抽出層27及び第2光抽出層28を選択的にエッチングしてフォトニック結晶4
0を形成する。
第1導電型半導体層23の上に第1光抽出層27及び第2光抽出層28を形成する。
的に除去し、第1電極層60を形成できるようにする。また、前記第1光抽出層27及び
第2光抽出層28を選択的にエッチングしてフォトニック結晶40を形成する。
ることができる。そして、前記第1光抽出層27は第1屈折率を有し、前記第2光抽出層
28は前記第1屈折率より屈折率が低い第2屈折率を有する。
性半導体層24の屈折率より大きいまたは同一である。
第2光抽出層28はSiO2からなることができる。
ク結晶40を形成した例が開示されているが、前記フォトニック結晶40は3種類または
それ以上の光抽出層を同時にエッチングして形成することもできる。
第2光抽出層28を前記第1導電型半導体層23の上に形成することで、光抽出効果をよ
り向上させることができる。
きる。
20 発光半導体層
21 第2導電型半導体層
22 活性層
23 第1導電型半導体層
24 非ドープGaN層
25、26、27、28 光抽出層
30 オーミック接触層
40 フォトニック結晶
41 単位パターン
50 第2電極層
51 オーミック接触層
52 反射層
53 導電性基板
60 第1電極層
110 第1電極層
120 第2電極層
Claims (18)
- 導電性基板と、
前記導電性基板上に配置された反射層と、
前記反射層上に配置された透明電極層と、
前記透明電極層上に配置された第2導電型半導体層と、
前記第2導電型半導体層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された第1導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層上に配置された非伝導性半導体層と、
前記非伝導性半導体層上に配置された光抽出層と、
前記非伝導性半導体層および前記第1導電型半導体層の一部を選択的に除去した領域に配置された第1電極層と、
前記光抽出層上に配置されたフォトニック結晶と、を含み、
前記フォトニック結晶は、複数のホール構造を含むことを特徴とする発光素子。 - 前記第1導電型半導体層はn-型半導体層を含み、前記第2導電型半導体層はp-型半導体層を含むことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記n-型半導体層は前記p-型半導体層の厚さより厚い厚さを有することを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- 前記第2導電型半導体層の厚さは、前記活性層から放出された光の波長より小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の発光素子。
- 前記光抽出層は非伝導性材質を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の発光素子。
- 前記ホールはλ/n以上の深さにエッチングして形成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の発光素子。
(ここで、nは非伝導性半導体層の屈折率であり、λは光の波長である。) - 前記フォトニック結晶の単位パターンは四角格子形態、三角格子形態、アルキメデス格子形態、擬似ランダム形態、ランダム形態中の少なくともいずれか一つの形態で配置されたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の発光素子。
- 前記光抽出層は、前記非伝導性半導体層の屈折率と同一屈折率を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の発光素子。
- 前記光抽出層は、前記非伝導性半導体層の屈折率より大きい屈折率を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の発光素子。
- 前記光抽出層は、前記非伝導性半導体層上に第1屈折率を有する第1光抽出層と、前記第1光抽出層上に前記第1屈折率より低い第2屈折率を有する第2光抽出層とを含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の発光素子。
- 前記フォトニック結晶は、前記第1および第2光抽出層に形成されたことを特徴とする請求項10に記載の発光素子。
- 前記第1光抽出層はTiO2またはSi3N4を含み、前記第2光抽出層はSiO2を含むことを特徴とする請求項10または11に記載の発光素子。
- 前記光抽出層は、TiO2、Si3N4およびSiO2中の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の発光素子。
- 前記光抽出層は、屈折率が相互異なる三種類以上の光抽出層を含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の発光素子。
- 前記非伝導性半導体層は500nm〜2000nmの厚さを有することを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の発光素子。
- 前記ホールの深さは450nm〜900nmであることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の発光素子。
- 前記ホールの深さは、前記非伝導性半導体層の厚さより小さいことを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載の発光素子。
- 前記フォトニック結晶のホールの半径は0.325a〜0.40a(ここで、aは前記ホールのパターン周期)であることを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の発光素子。
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