JP3177600U - 発光ダイオード基板及び発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】高い発光効率を有するLED基板及びこれを使用したLEDを提供する。
【解決手段】発光ダイオード(LED)基板は、複数の不規則な六角形のピラミッド型構造が表面に形成されるサファイア基板を含み、不規則な六角形のピラミッド型構造間のピッチが10μm未満であることを特徴とする。六角形のピラミッド型構造の対称的な断面は、第1底角及び第2底角を有し、第2底角は第1底角よりも大きく、第2底角は、50°から70°の間である。
【選択図】図1

Description

本考案は、発光ダイオード(LED)基板に関し、より詳細には、高い光取り出し効率を有するLED基板、及び、当該LED基板を使用したLEDに関する。
発光ダイオード(LED)は、化合物半導体を使用して製造される発光デバイスであり、電子とホールの結合により、電気エネルギーが光に変換される。LEDは、冷光光源の一種であり、低消費電力である、ウォームアップ時間が必要ない、長寿命である、及び、応答速度が速い等の利点を有する。また、小型で高い耐衝撃性を有し、大量生産にも向いている。したがって、非常に小さな又はアレイ型のデバイスの製造における要求を満たすべく発光ダイオードを容易に適応させることができる。
将来のLEDの利用可能性を拡張するべく、現在、LEDの発光輝度を高めることが盛んに研究されている。理想的なLEDでは、活性領域においてキャリアが光子に再結合した後に、この光子が全て外部環境へと伝播すると、このようなLEDの発光効率は100%となる。しかしながら、減少させる機構が様々に存在することから、活性領域において生成された光子の100%が外部環境に伝播することはない。
LEDの発光効率を改善させるべく、パターニングされたLED基板、例えば、複数のコーン又はプラットフォーム構造によって構成されるLED基板が使用され、LEDから出射する光を散乱して、全反射を低減させている。
本考案の一実施形態例は、高い光取り出し効率を有する発光ダイオードを提供する。
また、本考案の一実施形態例は、上記の発光ダイオード基板を有する発光ダイオードを提供する。
本考案の一実施形態例は、複数の不規則な六角形のピラミッド型構造が表面に形成され、不規則な六角形のピラミッド型構造間のピッチが10μm未満であることを特徴とするサファイア基板を含む発光ダイオード基板を提供する。六角形のピラミッド型構造の対称的な断面は、第1底角及び第2底角を有し、第2底角は第1底角よりも大きく、第2底角は、50°から70°の間である。
本考案の一実施形態例では、上記のピッチは、約0.1μmから約3μmの間である。である。
本考案の一実施形態例では、不規則な六角形のピラミッド型構造の各々の最大の高さは、1μmから2μmの間である。
本考案の一実施形態例では、不規則な六角形のピラミッド型構造の各々の最上部は、面又は尖端である。
本考案の一実施形態例では、サファイア基板の上記面は、(0001)面を含み、(0001)面は、上記面の突出した部分の面積の約10%から60%である。
本考案の別の実施形態例では、複数のピラミッド型構造が形成された面を有するサファイア基板を含む発光ダイオード基板を提供し、ピラミッド型構造の各々は、複数の鋭角を有する底面を有する。1つのピラミッド型構造における鋭角の各々は、隣接するピラミッド型構造の鋭角に近い。
本考案の別の実施形態例では、サファイア基板の上記面は、(0001)面を含み、(0001)面は、上記面の突出した部分の面積の約5%から40%である。
本考案の別の実施形態例では、ピラミッド型構造は、三角形のピラミッド又は六角形のピラミッドを含む。
本考案の別の実施形態例では、各ピラミッド型構造の最大の高さは、1.5μmから2μmの間である。
本考案の別の実施形態例では、ピラミッド型構造の各々の上部は、面又は尖端である。
本考案の別の実施形態例では、各ピラミッド型構造の最上部が面である場合、各ピラミッド型構造の面に被覆層が堆積され、被覆層の材料としては、酸化シリコン又は窒化シリコンが含まれる。
本考案の一実施形態例では更に、上記のサファイア基板のうちの1つ、サファイア基板に堆積された第1半導体層、半導体層上に堆積された発光層、発光層上に堆積された第2半導体層、第1半導体層と接触する第1オーミック層、及び、第2半導体層と接触する第2オーミック層を備える発光ダイオードを提供する。
本考案の一実施形態例によれば、サファイア基板には、発光面として機能する複数の不規則な六角形のピラミッド型構造が形成されている。不規則な六角形のピラミッド型構造の6面に基づいて、光散乱が増大され、基板の発光効率が改善される。また、ピラミッド型の構造の配置は、(0001)面の面積を増大させるように規定されてもよく、それにより、上記面において露出される面積を好適に増やすことができる。したがって、次に行われるエピタキシー工程における問題を低減させることができると考えられる。
本考案及び本考案の利点が、以下に記す実施形態例及び添付の図面を参照することにより良好に理解される。添付の図面は、本考案の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
本考案の第1実施形態に係る発光ダイオード(LED)の3次元図である。 本考案の第1実施形態例に係る不規則な六角形のピラミッド型構造の1つの3次元図である。 図2Aにおける不規則な六角形のピラミッドの対称断面図(線B−Bに沿った断面)である。 本考案の第1実施形態例に係るLED構造の製造フローを例示した断面図である。 本考案の第1実施形態例に係るLED構造の製造フローを例示した断面図である。 本考案の第1実施形態例に係るLED構造の製造フローを例示した断面図である。 本考案の第1実施形態例に係るLED構造の製造フローを例示した断面図である。 本考案の第1実施形態例により製造されたサファイア基板の走査型顕微鏡(SEM)写真である。 図4のLED基板のSEM写真の上面図である。 図4のLED基板のSEM写真の断面図である。 本考案の第2の実施形態に係る発光ダイオードの概略的な断面図である。 シミュレーションテストにおける従来のプラットフォーム構造を含む基板の詳細な寸法を示した図である。 シミュレーションテストにおける不規則な六角形のピラミッド型構造を含む基板の詳細な寸法を示した図である。 シミュレーションテストの結果を示す曲線の図である。 本考案の第3実施形態に係るLED基板の3次元図である。 本考案の第4実施形態に係るLED基板の3次元図である。 本考案の第5実施形態に係るLED基板の3次元図である。 本考案の第6実施形態に係るLED基板の3次元図である。
図1は、本考案の第1の実施形態に係る発光ダイオード(LED)の3次元図である。図1に示すように、サファイア基板100が用意される。サファイア基板100は、複数の不規則な六角形のピラミッド型の構造102によって構成される面104を有する。本考案の実施形態例における不規則な六角形のピラミッド型構造とは、3つの鋭角部分及び3つの鈍角部分を有する六角形から立ち上がる6つの側面を有する構造を指し、6つの側面は、同じ群に属する。これらの不規則な六角形のピラミッド型構造102のピッチPは、10μm未満である。一実施形態例では、ピッチは、0.1μmから3μmの間である。いわゆる"ピッチ"とは、隣接する2つの不規則な六角形のピラミッド型構造102間の距離を指す。
不規則な六角形のピラミッド型構造200の対称的な断面は、第1底角a1及び第2底角a2を含み、ここで第2底角a2は、第1底角a1よりも大きい。第2底角a2は、50°から70°の間である。一実施形態例において、第2底角a2は、約55°から65°の間である。
この実施形態例において、不規則な六角形のピラミッド型構造102の最上部102aは、尖端である。本考案を実施する当業者であれば、本開示におけるこれらの例が、本考案の範囲を制限することを意図していないことは理解できる。最上部102aは、プラットフォーム表面又は面であってもよい。サファイア基板100の表面104は、(0001)面(図1において、点で描かれている面)を含み、(0001)面の面積は、表面104の投影面積の約10%から60%である。一実施形態例において、(0001)面の面積は、表面104の投影面積の約10%から30%である。(0001)面の面積が表面104の投影面積の60%を超える場合、発光効率の利得が低くなると考えられ、(0001)面の面積が表面104の投影面積の10%未満である場合には、エピタキシーを実行するのが難しくなると考えられる。
図2Aは、本考案の第1実施形態例に係る不規則な六角形のピラミッド型構造の1つの3次元図である。図2Bは、図2Aにおける不規則な六角形のピラミッドの対称断面図(線B−Bに沿った断面)である。
図2A及び図2Bに示すように、不規則な六角形のピラミッド型構造200の最大の高さhは、例えば、不規則な六角形ピラミッド200のピッチに、正比例する。いわゆる"最大高さ"とは、不規則な六角形のピラミッド型構造200の最上部202と底部との間の距離を指す。一実施形態例において、不規則な六角形のピラミッド型構造200の最大の高さは、約1μmから2μmである。一実施形態例において、最大の高さは、約1.5μmから2μmである。不規則な六角形のピラミッド型構造200の最大の高さが2μmを超えると、エピタキシーを実行するのが難しくなる。図2A及び図2Bにおける不規則な六角形のピラミッド型構造200の最上部202は、面である。
第1実施形態例の発光ダイオード基板の製造方法の実験例については、後で記載される。図3A〜3Dは、本考案の第1実施形態例に係るLED構造の製造フローを例示した断面図である。
図3Aに示すように、サファイア基板300が準備され、サファイア基板300上に酸化層302が堆積される。
そして、図3Bに示すように、フォトリソグラフィ及びエッチングを酸化層302に施すことにより、パターンを有するハードマスク304が形成される。必要であれば、ハードマスク302とサファイア基板300との間の接着を周知の技術により強化して、次に行われるエッチングプロセスにおけるエッチング耐性を向上させてもよい。
数分間のウェットエッチングが実行され、不規則な六角形のピラミッド型構造のアレイである突出パターン306が、サファイア基板300上に形成される。同時に、図3Cに示すように、エッチングのエッチング液により、ハードマスク304は次第に小さくなる。
不規則な六角形のピラミッド型構造308が完全に形成される時点で、ハードマスク304の一部が残っている場合には、そのハードマスクを取り除く段階が実行される。図3Dに示すように、ハードマスク304が残っていない場合には、エッチングプロセスをそこで終了してもよい。不規則な六角形のピラミッド型構造308は、約3μmのピッチを有する。
上記の本考案のLED基板の製造方法の実験例は、本明細書に記載された実施形態を限定していると解釈されるべきではない。実用新案登録請求の範囲によって規定される本考案の範囲内において、当業者であれば記載された実施形態の様々な変形例が可能であることは理解できる。
図4は、本考案の第1実施形態例により製造されたサファイア基板の走査型顕微鏡(SEM)写真である。図5A及び図5Bは、図4のLED基板のSEM写真の上面図及び断面図である。図5Aでは、不規則な六角形のピラミッド型構造が明確に観察できる。
図6は、本考案の第2の実施形態に係る発光ダイオードの概略的な断面図である。図6に示すように、第1実施形態例のサファイア基板(図1参照)と同様な、サファイア基板100が用意される。サファイア基板100上に、第1半導体層600が形成され、第1半導体層600上に発光層602が形成され、発光層602上に第2半導体層604が形成される。第1オーミック電極606は、第1半導体層600と接しており、第2オーミック電極608は、第2半導体層604と接している。この実施形態例において、第1半導体層600、発光層602及び第2半導体層604はそれぞれ、窒化ガリウム半導体のような第III−V族半導体である。第1オーミック電極606及び第2オーミック電極608はそれぞれ、例えば、ニッケル(Ni)、鉛(Pb)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ロジウム(Ru)、金(Au)、ルテニウム(Ru)、タングステン(W)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、銀(Ag)のうちの少なくとも1つ、これら金属の酸化物又は窒化物、の合金又は多層膜を含む。第1オーミック電極606及び第2オーミック電極608は、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、銀(Ag)又はアルミニウム(Al)で形成された多層膜又は合金を含んでもよい。
上記の実施形態例のLED基板の効果を変化させるべく、異なるLED基板を使用した図6のLEDの発光効率をシミュレーションする。
[シミュレーションテスト]
第1半導体層600が、n−GaNであり、発光層602が多重量子井戸(MQW)構造であり、第2半導体層604が、p−GaNであると仮定する。2種類のLED基板、すなわち、図7の従来のプラットフォーム構造を有する基板と、第1実施形態(図8参照)の不規則な六角形のピラミッド型構造で構成された基板とが用意される。図7で示されたLED基板の表面構造は全て、ドライエッチング工程で製造されている。
図9に示すように、シミュレーションテスト結果によれば、光取り出し効率(LEE)及び発光効率は、従来のプラットフォーム構造を有する基板よりも、図8に示した基板構造の方が優れている。
図10は、本考案の第3実施形態に係るLED基板の3次元図である。図10に示すように、サファイア基板1000が用意される。サファイア基板1000は、複数のピラミッド型の構造1004によって構成される面1002を有する。ピラミッド型構造1004の各々は、複数の鋭角1008を有する底面1006を有する。1つのピラミッド型構造1004における鋭角1008の各々は、隣接するピラミッド型構造1004の鋭角1008に近い。各ピラミッド型構造1004の底面1006は、多角形である。例えば、図10において、底面1006はそれぞれ、3つの鋭角1008を有し、2つの鋭角1008の間の輪郭線は、曲線である。
サファイア基板1000の面1002は、(0001)面(図10において点で描かれている面)を含む。1つのピラミッド型構造1004における鋭角1008が、隣接するピラミッド型構造1004における鋭角1008のうちの1つに近い場合、(0001)面の面積を増加させることができる。例えば、1つの鋭角1008と隣接するピラミッド型構造1004の別の鋭角1008との間の距離はピッチS以下である、又は、これら2つの鋭角1008は互いに接続されている。いわゆる"ピッチ"とは、隣接するピラミッド型構造1004間の距離を指す。(0001)面の面積は、面1002の投影面積の約5%から40%であり、好ましくは、約10%から30%である。(0001)面の面積が、表面1002の投影面積の40%を超える場合、発光効率の利得が低くなると考えられる。また、ピラミッド型構造1004の最上部は、尖端である。本考案を実施する当業者であれば、本開示におけるこれらの例が、本考案の範囲を制限することを意図していないことは理解できる。各ピラミッド型構造1004の最上部は、プラットフォーム表面であってもよい。
図10に示すように、ピラミッド型構造1004の最大の高さは、約1μmから2μmであり、好ましくは、約1.5μmから2μmである。ピラミッド型構造1004の最大の高さが2μmを超えると、エピタキシーを実行するのが難しくなる。また、ピッチが、ピラミッド型構造1004の最大の高さに影響を与える場合がある。例えば、ピッチが約3μmの場合、最大の高さは、好ましくは、1.5μmから2μmである。ピッチが約1.5μmの場合、最大の高さは、好ましくは、0.8μmから1.5μmである。このように、ピッチが小さくなるほど、最大の高さも小さくなる。
図11は、本考案の第4実施形態に係るLED基板の3次元図である。図11に示すように、サファイア基板1100が用意される。サファイア基板1100は、複数の不規則な六角形のピラミッド型構造1104によって構成される面1102を有し、複数の不規則な六角形のピラミッド型構造1104は、図1の複数の不規則な六角形のピラミッド型構造102と同じである。複数の不規則な六角形のピラミッド型構造1104の各々は、3つの鋭角1108及び3つの鈍角1110を含む六角形の底面1006を有する。1つの複数の不規則な六角形のピラミッド型構造1104における鋭角1108はそれぞれ、隣接する複数の不規則な六角形のピラミッド型構造1104における鋭角1108と近い。(0001)面の面積及び最大高さの範囲については、上記の第3実施形態を参照されたい。
図12は、本考案の第5実施形態に係るLED基板の3次元図である。図12に示すように、サファイア基板1200は、複数の不規則な六角形のピラミッド型の構造1204によって構成される面1202を有する。1つの不規則な六角形のピラミッド型構造1204における鋭角1206はそれぞれ、隣接する不規則な六角形のピラミッド型構造1204における鋭角1206と近い。第4実施形態と本実施形態との違いは、不規則な六角形のピラミッド型構造1204それぞれの最上部が、面1208となっていることである。さらに、被覆層(図示せず)を、各ピラミッド型構造1204の面1208上に堆積させてもよく、被覆層の材料としては、酸化物、窒化物又はシリコンが含まれ、例えば、酸化シリコン又は窒化シリコンが含まれる。また、(0001)面の面積及び最大高さの範囲については、上記の第3実施形態を参照されたい。
図13は、本考案の第6実施形態に係るLED基板の3次元図である。図13に示すように、第3実施形態例のサファイア基板(図10参照)と同様な、サファイア基板1000が用意される。サファイア基板1000上に、第1半導体層600、発光層602及び第2半導体層604が堆積される。第1オーミック電極606は、第1半導体層600と接しており、第2オーミック電極608は、第2半導体層604と接している。この実施形態例において、第1半導体層600、発光層602、第2半導体層604、第1オーミック電極606及び第2オーミック電極608は、第2実施形態例のそれらと同じである。
本考案のLED基板によれば、複数の不規則な六角形のピラミッド型構造を有するサファイア基板は、発光面として機能する。また、不規則な六角形のピラミッド型構造の6つの面が、光散乱効果を増大させている。したがって、本考案のLED基板を使用したLEDの発光効率は改善されている。また、ピラミッド型構造は、(0001)面の面積を増加させるように適切に配置することもでき、それにより、次に行われるエピタキシー工程における難しさを低減させることができる。
本考案範囲及び精神から逸脱することなく、本考案の構造に、様々な改良及び変更を加えることが可能であることは、当業者にとって明らかである。上記のように、本考案は、添付の実用新案登録請求の範囲及びその均等物の範囲内に含まれる考案の改良及び変形例も含むことを意図している。
100、300、1000、1100、1200 サファイア基板
102、200、308、1104、1204 不規則な六角形のピラミッド型構造
102a、202 最上部
104、1002、1102、1202 面
302 酸化層
304 ハードマスク
306 突出パターン
600 第1半導体層
602 発光層
604 第2半導体層
606 第1オーミック電極
608 第2オーミック電極
1004 ピラミッド型構造
1006、1106 底面
1008、1108、1206 鋭角
1110 鈍角
a1、a2 底角
h 最大高さ
p、S ピッチ

Claims (20)

  1. サファイア基板を備える発光ダイオード基板であって、
    前記サファイア基板の表面は、複数の不規則な六角形のピラミッド型構造を有し、
    前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造のピッチは10μm未満であり、
    前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造それぞれの対称的な断面は、第1底角及び第2底角を有し、
    前記第2底角は前記第1底角よりも大きく、
    前記第2底角は、50°から70°の間である発光ダイオード基板。
  2. 前記ピッチは、約0.1μmから約3μmの間である請求項1に記載の発光ダイオード基板。
  3. 前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造それぞれの最大の高さは、1μmから2μmの間である請求項1又は2に記載の発光ダイオード基板。
  4. 前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造それぞれの最上部は、面又は尖端である請求項1から3の何れか1項に記載の発光ダイオード基板。
  5. 前記表面は、(0001)面を含み、
    前記(0001)面は、前記表面の突出した部分の面積の約10%から60%である請求項1から4の何れか1項に記載の発光ダイオード基板。
  6. サファイア基板と、
    前記サファイア基板上に形成された第1半導体層と、
    前記第1半導体層上に形成された発光層と、
    前記発光層上に形成された第2半導体層と、
    前記第1半導体層に接する第1オーミック電極と、
    前記第2半導体層に接する第2オーミック電極とを備える発光ダイオードであって、
    前記サファイア基板の表面は、複数の不規則な六角形のピラミッド型構造を有し、
    前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造のピッチは10μm未満であり、
    前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造それぞれの対称的な断面は、第1底角及び第2底角を有し、
    前記第2底角は前記第1底角よりも大きく、
    前記第2底角は、50°から70°の間である発光ダイオード。
  7. 前記ピッチは、約0.1μmから約3μmの間である請求項6に記載の発光ダイオード。
  8. 前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造それぞれの最大の高さは、1μmから2μmの間である請求項6又は7に記載の発光ダイオード。
  9. 前記複数の不規則な六角形のピラミッド型構造それぞれの最上部は、面又は尖端である請求項6から8の何れか1項に記載の発光ダイオード。
  10. 前記表面は、(0001)面を含み、
    前記(0001)面は、前記表面の突出した部分の面積の約10%から60%である請求項6から9の何れか1項に記載の発光ダイオード。
  11. サファイア基板を備える発光ダイオード基板であって、
    前記サファイア基板の表面は、複数のピラミッド型構造を有し、
    前記複数のピラミッド型構造のそれぞれは、複数の鋭角を有する底面を有し、
    一の前記ピラミッド型構造における前記複数の鋭角のそれぞれは、隣接する前記ピラミッド型構造の前記鋭角に近い発光ダイオード基板。
  12. 前記サファイア基板の前記表面は、(0001)面を含み、
    前記(0001)面は、前記表面の突出した部分の面積の約5%から40%である請求項11に記載の発光ダイオード基板。
  13. 前記複数のピラミッド型構造それぞれの最大の高さは、1.5μmから2μmの間である請求項11又は12に記載の発光ダイオード基板。
  14. 前記複数のピラミッド型構造それぞれの最上部は、面又は尖端である請求項11から13の何れか1項に記載の発光ダイオード基板。
  15. 前記複数のピラミッド型構造それぞれの面上に堆積された被覆層を更に備え、
    前記被覆層の材料には、酸化物、窒化物又はシリコンが含まれる請求項14に記載の発光ダイオード基板。
  16. サファイア基板と、
    前記サファイア基板上に形成された第1半導体層と、
    前記第1半導体層上に形成された発光層と、
    前記発光層上に形成された第2半導体層と、
    前記第1半導体層に接する第1オーミック電極と、
    前記第2半導体層に接する第2オーミック電極とを備える発光ダイオードであって、
    前記サファイア基板は、複数のピラミッド型構造が構築された表面を有し、
    前記複数のピラミッド型構造のそれぞれは、複数の鋭角を有する底面を有し、
    一の前記ピラミッド型構造における前記複数の鋭角のそれぞれは、隣接する前記ピラミッド型構造の前記鋭角に近い発光ダイオード。
  17. 前記サファイア基板の前記表面は、(0001)面を含み、
    前記(0001)面は、前記表面の突出した部分の面積の約5%から40%である請求項16に記載の発光ダイオード。
  18. 前記複数のピラミッド型構造それぞれの最大の高さは、1.5μmから2μmの間である請求項16又は17に記載の発光ダイオード。
  19. 前記複数のピラミッド型構造それぞれの最上部は、面又は尖端である請求項16から18の何れか1項に記載の発光ダイオード。
  20. 前記複数のピラミッド型構造それぞれの面上に堆積された被覆層を更に備え、
    前記被覆層の材料には、酸化物、窒化物又はシリコンが含まれる請求項19に記載の発光ダイオード。
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