JP4332440B2 - 発光ダイオードの製造方法、発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードの製造方法、及び発光ダイオードに関する。

発光ダイオードの光量を増加させるには、発光ダイオードの光取り出し面からの光取り出し効率を向上させることが重要である。

光取り出し効率を向上させる方法としては、光取り出し面に凹凸を形成することにより、発光ダイオードから外部への光を取り出す際の光取り出し面での臨界角を緩和させ、光取り出し面での反射を減少させる方法がある。凹凸を形成する方法としては、レーザ等のエネルギービームを照射することによる方法（例えば、特許文献１を参照。）や、ブロックコポリマーによる微細パターン形成とＲＩＥによるエッチングによる方法（例えば、特許文献２を参照。）がある。
２００３−２１８３９４号公報 ２００３−２１８３８３号公報

しかし、レーザ等のエネルギービームを照射することによる方法では、エネルギービームにより発光ダイオードがダメージが懸念される。

また、ブロックコポリマーによる微細パターン形成とＲＩＥによるエッチングによる方法では、製造プロセスの複雑化及び安定性が懸念される
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、表面に凹凸を有する発光ダイオードを簡易に、かつ、安定して製造する方法を提供するものである。

本発明の発光ダイオードの製造方法は、（１）基板上に発光層、電流拡散層、及びキャップ層をこの順に積層し、（２）ストライプ状の複数のＶ溝をキャップ層に形成し、（３）キャップ層のＶ溝の溝底を起点に電流拡散層を化学的エッチングすることにより、ストライプ状の複数のＶ溝を電流拡散層に形成する工程を備える。

本発明によれば、まず電流拡散層の上層であるキャップ層にストライプ状の複数のＶ溝を形成し、キャップ層のＶ溝の溝底を起点に電流拡散層を化学的エッチングしているため、電流拡散層の化学的エッチングの起点を非常に細長くすることができる。起点が非常に細長いため、電流拡散層に良好なストライプ状の複数のＶ溝を形成することができる。

本発明の発光ダイオードの製造方法は、（１）基板上に発光層、電流拡散層、及びキャップ層をこの順に積層し、（２）ストライプ状の複数のＶ溝をキャップ層に形成し、（３）キャップ層のＶ溝の溝底を起点に電流拡散層を化学的エッチングすることにより、ストライプ状の複数のＶ溝を電流拡散層に形成する工程を備える。

まず、上記工程（１）、すなわち、基板上に発光層、電流拡散層、及びキャップ層をこの順に形成する工程について説明する。

基板は、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板、又はＳｉなどの元素半導体基板などからなる。基板の導電型は、Ｎ型であっても、Ｐ型であってもよい。発光層、電流拡散層、及びキャップ層は、基板の（１００）面上に形成されることが好ましい。この場合、後工程で電流拡散層、及びキャップ層にＶ溝を形成するのが容易になるからである。

基板上に形成される発光層は、例えば、第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層をこの順で形成することにより、形成することができる。発光層は、ダブルヘテロ接合構造とするのが好ましいが、シングルヘテロ接合構造、又はホモ接合構造であってもよい。

発光層、電流拡散層、又はキャップ層を形成する各層は、ＧａＡｓ若しくはＧａＰなどの二元化合物半導体、ＧａＡｌＡｓ若しくはＡｌＩｎＰなどの三元化合物半導体、又はＡｌＧａＩｎＰなどの四元化合物半導体などの化合物半導体などからなる。発光層を形成する各層は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ法などによってエピタキシャル成長させることが好ましい。「電流拡散層」には、発光層の保護を主な目的として形成される保護層、又は発光層からの光の光取り出し面での反射を低減させることを主な目的として形成される反射防止層など、電流拡散以外の機能を有する層も含まれる。キャップ層は、電流拡散層とは異なる材料又は組成で形成することが好ましい。

ここで、電流拡散層の厚さは、３μｍ以上が好ましい。３μｍより小さいと電流拡がりが悪くなり、外部光取出し効率が低下する。また、キャップ層の厚さは、１〜５μｍが好ましい。この範囲外な場合、次工程でのエッチング制御が難しくなる懸念がある。

また、基板、発光層、電流拡散層、及びキャップ層の隣接する２層間に、バッファ層、絶縁層、保護層、又は電流阻止層などの他の層を形成してもよい。

また、「基板上に」という語句には、基板に接して、保護膜や絶縁膜などを介して半導体基板に接して、又は半導体基板と非接触で上方に、などの概念が含まれる。その他の「膜上に」、「層上に」などという語句についても同様である。

また、工程（１）の後に、得られた基板上に電極を形成する工程を備えることが好ましい。電極は、Ｐ型又はＮ型電極である。電極は、コンタクト層を介して形成されてもよい。Ｐ型電極は、ＡｕＺｎなどを蒸着し、アロイ化させる工程を備える方法により形成することができる。Ｎ型電極は、ＡｕＧｅなどを蒸着し、アロイ化させる工程を備える方法により形成することができる。

次に、上記工程（２）、すなわち、ストライプ状の複数のＶ溝をキャップ層に形成する工程について説明する。

ストライプ状の複数のＶ溝とは、例えば、実質的に一方向に延びる複数のＶ型の細長い溝部をいう。ストライプ状の複数のＶ溝は、基板の＜０１１＞方向に実質的に平行に形成することが好ましい。この場合、斜面がキャップ層の（１１１）面となるＶ溝の形成が容易だからである。また、ストライプ状の複数のＶ溝は、実質的に等間隔であることが好ましい。ストライプ状の複数のＶ溝の幅は、１μｍ以上が好ましい。１μｍより小さいとパターニング精度が低下し、バラツキが大きくなる。ストライプ状の複数のＶ溝が形成されるピッチは、３〜１５μｍが好ましい。これはキャップ層厚さに従った幾何学的結果である。

各Ｖ溝のサイズは、異なっていてもよい。また、先端部が尖っている場合のみならず、丸みを帯びている場合なども「Ｖ溝」に含まれる。Ｖ溝の溝底は、電流拡散層に到達していても、到達していなくてもよい。到達していない場合は、後工程で、Ｖ溝のエッチングを進め、電流拡散層をキャップ層側に露出させた後、電流拡散層のエッチングを開始する。Ｖ型の尖った先端部が、ちょうど電流拡散層に到達している状態が好適である。

ストライプ状の複数のＶ溝は、例えば、キャップ層にストライプ状の開口を有する樹脂層をフォトリソグラフィ及びエッチング技術などにより形成し、ストライプ状の開口を通ってキャップ層を化学エッチングする工程を備える方法により、形成することができる。基板の＜０１１＞方向に実質的に平行にストライプ状の複数のＶ溝をキャップ層に形成するために、ストライプ状の開口は、基板の＜０１１＞方向に実質的に平行に形成することが好ましい。ストライプ状の開口は、実質的に等間隔に形成することが好ましい。また、ストライプ状の開口の幅及びピッチは、キャップ層厚さをＬ（μｍ）とした場合、１．３〜１．５×Ｌ（μｍ）程度が好ましい。この場合、最大限のストライプ形状本数を形成させる事が可能である。

キャップ層の化学エッチングは、例えば、水酸化アンモニウムと、過酸化水素と、水との混合液を用いて行う。キャップ層の化学エッチングは、電流拡散層に対するキャップ層のエッチング選択比が大きくなるエッチング液を用いて行うことが好ましい。キャップ層にストライプ状の複数のＶ溝を形成する工程で、電流拡散層が大きくエッチングされると、電流拡散層に良好なＶ溝が形成されにくくなるからである。

次に、上記工程（３）、すなわち、キャップ層のＶ溝の溝底を起点に電流拡散層を化学的エッチングすることにより、ストライプ状の複数のＶ溝を電流拡散層に形成する工程について説明する。

上述の通り、キャップ層のＶ溝の溝底は、電流拡散層に到達していても、到達していなくてもよい。キャップ層のＶ溝の溝底が電流拡散層に到達している場合、すなわち、電流拡散層がキャップ層側に露出している場合、露出している個所から電流拡散層の化学的エッチングが開始される。

キャップ層のＶ溝の溝底が電流拡散層に到達していない場合、最初は、電流拡散層がキャップ層側に露出していない。そのため、まず、キャップ層のＶ溝のエッチングを進め、電流拡散層をキャップ層側に露出させた後、電流拡散層のエッチングを開始する。この場合、電流拡散層とキャップ層の両方に反応するエッチング液を用いて、化学的エッチングを行うと、まず、キャップ層のＶ溝のエッチングを進め、そのまま、電流拡散層をキャップ層側に露出させた後、電流拡散層のエッチングを開始することができる。

また、化学的エッチングは、電流拡散層とキャップ層の両方に反応するエッチング液を用いて、好ましくは、電流拡散層とキャップ層とに対するエッチング速度が実質的に等しいエッチング液を用いて行うことが好ましい。この場合、電流拡散層にＶ溝を形成すると同時に、キャップ層を除去することができるからである。この化学的エッチングは、リン酸と過酸化水素との混合液などを用いて行うことができる。

電流拡散層は、キャップ層のＶ溝の溝底を起点に化学的エッチングされる。そのため、電流拡散層の化学的エッチングの起点を非常に細長くすることができる。起点が非常に細長いため、電流拡散層に良好なストライプ状の複数のＶ溝を形成することができる。電流拡散層のＶ溝は、例えば、結晶構造の順メサ部を利用したものとなる。

また、キャップ層のストライプ状の複数のＶ溝が基板の＜０１１＞方向に実質的に平行に形成されている場合、電流拡散層のストライプ状の複数のＶ溝も、基板の＜０１１＞方向に実質的に平行に形成される。この場合、電流拡散層のＶ溝は、電流拡散層の（１１１）面に従った傾斜を有する斜面を備える。また、この場合、電流拡散層のストライプ状の複数のＶ溝は、光取り出し面の法線に対して５０〜６５度となる面を含む斜面を備える。また、「Ｖ溝」には、電流拡散層のＶ溝の溝底が尖っている場合のみならず、丸みを帯びている場合なども含まれる。また、「Ｖ溝」には、Ｖ溝の縁が丸みを帯びている場合も含まれる。本発明の製造方法では、電流拡散層の結晶面を利用するので、安定して、かつ、均一にＶ溝を形成することができる。また、本発明の製造方法では、化学エッチングを利用するので、大量生産に適している。

また、電流拡散層のストライプ状の複数のＶ溝は、実質的に等間隔であることが好ましい。ストライプ状の複数のＶ溝の幅及びピッチは、キャップ層厚さをＬ（μｍ）とした場合、１．３〜１．５×Ｌ（μｍ）程度が好ましい。この場合、最大限のストライプ形状本数を形成させる事が可能である。

ここまでの工程により、電流拡散層の光取り出し面上にストライプ状の複数のＶ溝が形成されている発光ダイオードを製造することができる。この発光ダイオードでは、光取り出し面上にストライプ状の複数のＶ溝が形成されているので、発光ダイオードから外部への光を取り出す際の光取り出し面での臨界角が緩和され、光取り出し面での反射が減少する。

この発光ダイオードでは、反射防止膜による光取り出し効率を向上させているのではなく、Ｖ溝を付けることで結晶界面の臨界角を緩和させたものであるので、樹脂モールドされ、パッケージ品になった場合でも、反射率を低減させることができる。

また、工程（４）の後に、電流拡散層のＶ溝の斜面を酸溶液で処理することにより、斜面上に凹凸を形成する工程をさらに備えることが好ましい。

酸溶液での処理は、塩酸溶液などを用いて行うことができる。この処理により、電流拡散層のＶ溝の斜面に凹凸が形成される。この凹凸は、通常は、電流拡散層のストライプ状の複数のＶ溝が形成されるピッチよりも細かい。
ここまでの工程により、Ｖ溝の斜面上に凹凸が形成されている発光ダイオードを製造することができる。この発光ダイオードでは、Ｖ溝の斜面上に凹凸が形成されているので、光取り出し面での反射がさらに減少する。

また、基板の裏面を研削する工程をさらに備えてもよく、得られた基板の裏面に電極を形成する工程を備えてもよい。電極は、Ｐ型又はＮ型電極である。電極は、コンタクト層を介して形成されてもよい。

ここまでの説明は、主に、電流拡散層にストライプ状の複数のＶ溝を形成する場合についての説明である。しかし、電流拡散層にストライプ状の複数のＶ溝が形成されている場合のみならず、発光ダイオードの光取り出し面上にストライプ状の複数のＶ溝が形成されている場合には、一般に、発光ダイオードの光取り出し面からの光取り出し効率を向上させることができる。すなわち、電流拡散層上に、又は電流拡散層の代わりに保護膜、反射防止膜、又は絶縁膜などを形成し、その膜の光取り出し面上にストライプ状の複数のＶ溝を形成してもよい。

従って、本発明によると、少なくとも発光層を備える発光ダイオードにおいて、発光ダイオードの光取り出し面上にストライプ状の複数のＶ溝が形成されている発光ダイオードが提供される。また、このような発光ダイオードは、基本的に上述した方法により製造することができる。ここまでの説明は、原則として、このような発光ダイオード及びその製造方法についても当てはまる。

図１は、本発明の実施例１に係る発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。

まず、Ｎ型ＧａＡｓ基板（１００）からなる基板１上に、次の各層を形成する。
バッファ層３：Ｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3，層厚：０．５μm ）
発光層５：Ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５ａ（キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3，層厚：１．０μm）、アンドープ（Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層５ｂ（層厚：０．６μm）、及びＰ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５ｃ（キャリア濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3，層厚：１．０μm）
電流拡散層７：Ｐ型ＧａＰ（キャリア濃度：５０×１０¹⁷ｃｍ^-3，層厚：１０．０μ m）
キャップ層９：Ｐ型ＧａＡｓ（キャリア濃度：１０×１０¹⁷ｃｍ^-3，層厚：３．０μ m）

次に、エピウエハ表面にＰ型オーミック材料ＡｕＺｎ，及びボンディングパッド材料ＡｕによりＰ型電極１１を形成する。電極１１を形成工程は、従来どおり材料蒸着、フォトリソグラフィ、電極材料エッチング及びアロイ化を施した。電極配列は、２８０μm×２８０μmである。

次に、このＰ型電極１１が形成されたエピウエハ表面に、基板の＜０１１＞方向に平行な幅３μm、ピッチ６μmのストライプパターンからなるレジスト１２をフォトリソグラフィにより形成し、図１（ａ）に示す構造を得る。

次に、ＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：１０の３０℃混合液にてエピウエハ表面のキャップ層９を化学エッチングする。これにより、キャップ層９にＶ溝１３が形成され、図１（ｂ）に示す構造を得る。

次に、Ｈ₃ＰＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂＝３：１の６０℃混合液を用いて、エピウエハ表面を化学エッチングする。この時、電流拡散層７及びキャップ層９がエッチングされる。電流拡散層７のエッチングは、図１（ｃ）に示すように、先に形成されたキャップ層９のＶ溝１３の先端部１５を起点にして始まり、エッチングは、順メサ形状を示しながら進行する。また、キャップ層９のサイドエッチングも同時に進み、電極１１の付近以外のキャップ層９は最終的に除去される。この段階で、エピウエハ表面に電流拡散層７が露出している。また、エピウエハ表面には、基板の＜０１１＞方向に実質的に平行な方向にストライプ状の複数のＶ溝１７が形成され、図１（ｄ）に示す構造を得る。

本実施例の方法では、結晶構造を利用してストライプ状の複数のＶ溝１７を形成しているため、ウエハ面内でストライプ状の複数のＶ溝１７を均一に形成することができる。なお、ここでＰ型電極１１はＡｕ系を使用しており、上記２種のエッチング液に対して作用しないので、フォトリソグラフィにてＰ型電極１１を保護する必要はない。Ａｌ電極を使用する場合は、フォトレジストなどにより、上記のエッチング液からＡｌ電極を保護する必要がある。この場合、ストライプと電極パターンを組み合わせたフォトマスクを用いることにより、工程が煩雑になる事はない。

次に、ストライプ状の複数のＶ溝１７が形成されているエピウエハ表面に対して、更に７０℃ＨＣｌ液にて処理すると、Ｖ溝１７の斜面１９に平均０．５μm程度の凸凹（図示せず）が形成される。この時、電極１１がＡｕ系材料で形成されている場合は、電極１１は、７０℃ＨＣｌ液に浸食されることはない。

次に、ウエハを所望の厚みにラッピングし、Ｎ型ＧａＡｓ側電極としてＡｕＧｅを蒸着，アロイ化させる。次に、このウエハをＰ型電極１１の配列ピッチにあわせダイシングさせ、チップ作製を完了する。

以上の方法を用いて、発光ダイオードの製造を行った。今回作製した発光ダイオードのサイズは、２８０μm×２８０μm×２４０μmｔ，ボンディングパッドの径は、１００μmφである。従来構造では５０ｍｃｄ／５９０ｎｍ程度であったが、今回作製した構造では、７５ｍｃｄ／５９０ｎｍが得られた。また、これらのチップを用いてφ５ランプを作製し、光度比較した。その結果、従来の４００ｍｃｄに対して、５００ｍｃｄが得られた。

本実施例ではＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ構造であったが、ＧａＰ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ構造及びメタルボンディング構造のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤであっても、光取り出し効率に対する効果が同様に得られる。また、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ以外のＬＥＤでも可能である。

図２は、実施例２に係る発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
実施例２と実施例１との違いは、実施例２では、キャップ層９が厚く形成される点である。

まず、実施例１と同様の材料を用いて、半導体層３、５、７、９を積層し、次いで、Ｐ型電極１１を形成する。次に、このＰ型電極１１が形成されたエピウエハ表面に、基板の＜０１１＞方向に平行な幅３μm、ピッチ６μmのストライプパターンからなるレジスト１２をフォトリソグラフィにより形成し、図２（ａ）に示す構造を得る。

次に、ＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：１０の３０℃混合液にてエピウエハ表面のキャップ層９を化学エッチングする。これにより、キャップ層９にＶ溝１３が形成され、図２（ｂ）に示す構造を得る。この時点では、キャップ層９のＶ溝１３の先端部１５は、電流拡散層７に到達していない。

次に、Ｈ₃ＰＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂＝３：１の６０℃混合液を用いて、エピウエハ表面を化学エッチングする。この時、まず、キャップ層９のエッチングが、点線矢印で示す方向に進む。キャップ層９のエッチングが進み、電流拡散層７が露出されると、電流拡散層７のエッチングが始まる。
以後は、実施例１と同様である。

本発明の実施例１に係る発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例２に係る発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
３ バッファ層
５ 発光層
７ 電流拡散層
９ キャップ層
１１ 電極
１２ レジスト
１３ Ｖ溝
１５ 溝底
１７ Ｖ溝
１９ 斜面

Claims (6)

1. （１）基板上に発光層、電流拡散層、及びキャップ層をこの順に積層し、（２）第１のエッチング液を用いる化学エッチングによりストライプ状の複数のＶ溝をキャップ層に形成し、（３）第１のエッチング液と異なる第２のエッチング液によりキャップ層のＶ溝の溝底を起点に電流拡散層を化学的エッチングすることにより、ストライプ状の複数のＶ溝を電流拡散層に形成する工程を備える発光ダイオードの製造方法。
2. 工程（２）は、基板の＜０１１＞方向に実質的に平行にストライプ状の複数のＶ溝をキャップ層に形成する工程である請求項１に記載の製造方法。
3. 工程（３）の後に、電流拡散層のＶ溝の斜面を酸溶液で処理することにより、斜面上に凹凸を形成する工程をさらに備える請求項１に記載の製造方法。
4. 第１のエッチング液は、電流拡散層に対するキャップ層のエッチング選択比が大きくなるエッチング液である請求項１〜３のいずれか１つに記載の製造方法。
5. 第２のエッチング液は、電流拡散層とキャップ層の両方に反応するエッチング液である請求項１〜４のいずれか１つに記載の製造方法。
6. 第２のエッチング液は、電流拡散層とキャップ層とに対するエッチング速度が実質的に等しいエッチング液である請求項５に記載の製造方法。

Images