JP4509997B2

JP4509997B2 - 窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法

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Publication number: JP4509997B2
Application number: JP2006349685A
Authority: JP
Inventors: キムデヨン; ファンスンミン; リジンボク; ユンサンホ
Original assignee: 三星電機株式会社
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: TWI347685B; US20070184568A1; JP2007208244A; US20090258454A1; TW200731583A; KR100735488B1

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子の製造方法に関し、さらに詳細には、窒化ガリウム系（ＧａＮ）発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ；以下、「ＬＥＤ」と記す）素子の製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、光抽出効率を上げて外部量子効率及び素子の製造歩留まりを増大させることができる窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法に関する。

一般に、窒化ガリウム系半導体は、比較的高いエネルギーバンドギャップを有する物質（例；ＧａＮ半導体の場合、約３．４ｅＶ）であって、青色又は緑色などの短波長光を生成するための光素子に積極的に採用されている。このような窒化ガリウム系半導体には、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有する物質が広く用いられている。

このような窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、大きく水平構造ＬＥＤと垂直構造ＬＥＤに分類される。

しかしながら、従来の窒化ガリウム系ＬＥＤにおいて、活性層から生成された光子がＬＥＤの外部に放出される効率（以下、「外部量子効率」と記す）が低下するという問題があった。

図１は、従来の技術に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の外部量子効率が減少する問題を説明するための図であって、図１に示すように、前記問題点を詳細に説明すると、ＬＥＤ素子の活性層から生成された光子が空気の屈折率Ｎ₂より高い屈折率Ｎ₁を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）層を通過した後に空気中に脱出するためには、前記窒化ガリウム層から空気中に入射する前記光子の入射角θ₁が臨界角θ_c未満にならなければならない。

このとき、前記光子が空気中に脱出する脱出角θ₂が９０゜であるときの前記臨界角θ_cは、θ_c＝Ｓｉｎ^-1（Ｎ₂／Ｎ₁）と定義することができ、前記窒化ガリウム層から屈折率が１である空気中に光が進むときの前記臨界角は、約２３．６゜となる。

仮に、前記入射角θ₁が前記臨界角θ_c以上になると、前記光子は、前記窒化ガリウム層と空気の界面から全反射して、再度ＬＥＤの内部に戻って前記ＬＥＤの内部に閉じ込められるようになることによって、外部量子効率が極めて減少するという問題が発生する。

上記のような外部量子効率の減少問題を解決するために、従来では、空気中に光を放出する窒化ガリウム層の上面に表面凹凸を形成することによって、窒化ガリウム層から空気中に入射する光子の入射角θ₁を臨界角θ_c未満にしていた。

さらに詳細には、垂直構造ＬＥＤ素子の場合には、ｎ型窒化ガリウム層に光が放出されるため、図２に示すように、ｎ型窒化ガリウム層２０を用意した後、前記ｎ型窒化ガリウム層２０の上面にウェットエッチング工程を行って表面凹凸を形成した後、形成された前記表面凹凸の上に電流拡散効率を向上させることができるＩＴＯ層３０を形成して、前記ＩＴＯ層３０の上面にも、前記表面凹凸と同じプロファイルを持たせている。

一方、水平構造ＬＥＤ素子の場合には、ｐ型窒化ガリウム層に光が放出されるため、ｐ型窒化ガリウム層にウェットエッチング工程を行って表面凹凸を形成しなければならないが、ｐ型窒化ガリウム層は、ウェットエッチング工程により表面凹凸を形成することが難しいため、図３に示すように、ｐ型窒化ガリウム層１０を成長させるとき、初めからＭＯＣＶＤ成長工程により表面凹凸を有するように形成した後、形成された前記表面凹凸の上に電流拡散効率を向上させることができるＩＴＯ層３０を形成して、前記ＩＴＯ層３０の上面にも、前記表面凹凸と同じプロファイルを持たせている。

しかしながら、前記従来の技術に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の表面凹凸の製造方法によって製造された窒化ガリウム層の上面に形成された表面凹凸は、ｐ型及びｎ型窒化ガリウム層、すなわち、窒化ガリウム層のタイプによって、それぞれ互いに異なる工程を行って表面凹凸を形成しなければならないため、表面凹凸の形成工程において工程が複雑であるという問題がある。

また、前記表面凹凸を形成するための工程、すなわち、ウェットエッチング工程及びＭＯＣＶＤ成長工程により形成された表面凹凸は、窒化ガリウム層の全体的な上面において、凹部と凸部が均一に形成されるため、前記表面凹凸を適用することによって得ることができる外部量子効率の改善効果が充分でない。

したがって、当技術分野では、外部量子効率の改善効果を極大化させ得る新しい方案が求められている。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒化ガリウム層の上面に写真エッチング工程により、窒化ガリウム層と類似の屈折率を有し、かつ、可視光線帯域で吸収の少ない媒質であるＴｉＯ₂からなる表面凹凸を形成するものの、表面凹凸のピッチ及び高さを、光抽出効率を極大化させることができる条件で均一に形成することによって、外部発光効率及び量子効率を向上させることができる窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法は、基板上にｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、前記ｎ型窒化ガリウム層上に活性層を形成するステップと、前記活性層上にｐ型窒化ガリウム層を形成するステップと、前記ｐ型窒化ガリウム層及び前記活性層の一部をメサエッチングして、前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させるステップと、前記ｐ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップと、前記凹凸形成層上に表面凹凸パターンを形成するための感光膜パターンを形成するステップと、前記感光膜パターンをエッチングマスクとして、前記凹凸形成層を選択的にウェットエッチングすることにより、表面凹凸を形成するステップと、前記表面凹凸が形成された前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、前記露出したｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップとを含む。

また、前記本発明の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｐ型電極は、前記表面凹凸の形成されていないｐ型窒化ガリウム層上に形成することが好ましい。

また、前記本発明の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｐ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップの前に、前記ｐ型窒化ガリウム層上に電流拡散層を形成するステップをさらに含むことが好ましい。

上記の目的を達成すべく、本発明の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法は、基板上にｎ型窒化ガリウム層、活性層、ｐ型窒化ガリウム層を順次形成して、窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物を形成するステップと、前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物上にｐ型電極を形成するステップと、前記ｐ型電極上に導電性基板を接合するステップと、前記基板をＬＬＯ工程により除去して、ｎ型窒化ガリウム層を露出させるステップと、前記基板が除去されて露出した前記ｎ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップと、前記凹凸形成層上に表面凹凸パターンを形成するための感光膜パターンを形成するステップと、前記感光膜パターンをエッチングマスクとして、前記凹凸形成層を選択的にウェットエッチングすることにより、表面凹凸を形成するステップと、前記表面凹凸の形成された前記ｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップとを含む。

また、前記本発明の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｎ型電極は、前記表面凹凸の形成されていないｎ型窒化ガリウム層上に形成することが好ましい。

また、前記本発明の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｎ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップの前に、前記ｎ型窒化ガリウム層上に電流拡散層を形成するステップをさらに含むことが好ましい。

また、前記本発明の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記凹凸形成層は、ＴｉＯ₂を使用して形成することが好ましい。

本発明によれば、窒化ガリウム層の上面にこれと類似の屈折率を有する媒質を使用して、写真エッチング工程により表面凹凸を形成することによって、表面凹凸のピッチ及び高さを光抽出効率を極大化させることができる条件で均一に調節可能である。

したがって、本発明は、窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の外部発光効率及び量子効率を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。

図面において、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体にわたって同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。

以下、本発明の実施形態に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法について図面を参照して説明する。

まず、図４を参照して、本発明に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法に適用される表面凹凸方法について詳細に説明する。

図４は、本発明に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の表面凹凸の製造方法を説明するために順次に示した工程断面図である。

本発明は、ｐ型及びｎ型窒化ガリウム層によって別の表面凹凸形成工程をそれぞれ行っていた従来の技術とは異なり、ｐ型及びｎ型窒化ガリウム層に関係なく光が放出されるこれらの上面に表面凹凸を形成して、表面凹凸の形成工程を単純化させることができる。

図４に示すように、まず、（ａ）に示すように、ｐ型又はｎ型の窒化ガリウム層１００を用意する。

その後、前記窒化ガリウム層１００上に凹凸形成層１１０を形成する。このとき、前記凹凸形成層１１０は、下部に位置する窒化ガリウム層１００と類似の屈折率を有すると共に、可視光線帯域で吸収が少なく、かつ、ウェットエッチングの可能な媒質を使用して形成することが好ましい。本実施形態では、前記凹凸形成層１１０として、ＴｉＯ₂を使用した。

その後、（ｂ）に示すように、前記凹凸形成層１１０上に表面凹凸パターンを形成するための感光膜パターン１２０を形成する。このとき、前記感光膜パターン１２０は、電極が形成される領域も定義することができる。

その後、（ｃ）に示すように、前記感光膜パターン１２０をエッチングマスクとして、前記凹凸形成層１１０を選択的にウェットエッチングすることにより、前記窒化ガリウム層１００の上面に表面凹凸１１０ａを形成する。このとき、前記表面凹凸１１０ａのピッチ及び高さは、光抽出効率を最適化させることができる条件で形成することが好ましい。

その後、（ｄ）に示すように、前記表面凹凸１１０ａ上に存在する感光膜パターン１２０を除去する。

以下、図５〜図７を参照して、光抽出効率を最適化させることができる表面凹凸のピッチ及び高さについてさらに詳細に説明する。

図５は、一般的な表面凹凸の構造を示した断面図であって、ｎ型又はｐ型窒化ガリウム層１００上に表面凹凸１１０ａが均一なピッチ及び高さを有するように形成されている。このとき、前記ピッチは、表面凹凸１１０ａの上端同士の距離であり、前記高さは、前記窒化ガリウム層１００の上部表面から表面凹凸１１０ａの上端までの距離である。

このような、前記表面凹凸１１０ａのピッチは、図６に示すように、ピッチが８μｍから２μｍに次第に減少するほど、光抽出効率が約１７％から約３３％に次第に増加するのを確認することができる。

また、前記表面凹凸１１０ａの高さは、図７に示すように、高さが０μｍから４μｍに次第に増加するほど、光抽出料率が約１２．５％から約２７％に次第に増加するのを確認することができる。ここで、図６は、表面凹凸のピッチに応じる光抽出効率の変化を示したグラフであり、図７は、表面凹凸の高さに応じる光抽出効率の変化を示したグラフである。

すなわち、前記表面凹凸１１０ａは、ピッチが小さいほど、また高さが高いほど、これを含む窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の光抽出効率を増加させることができる。

一方、本発明は、感光膜パターンで凹部と凸部を定義した後、これをエッチングマスクとして、凹凸形成層をウェットエッチングして表面凹凸を形成する（図４参照）ことにより、光抽出効率を最適化する条件に適するように、表面凹凸のピッチ及び高さを均一に調節して形成することできる。

以下、上述の本発明に係る表面凹凸の製造方法によりｐ型又はｎ型窒化ガリウム層に関係なしで表面凹凸の形成された窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について、図８及び図９を参考にして説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、図８を参考にして、発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について詳細に説明する。図８は、本発明によって製造された表面凹凸が適用された水平構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示した断面図である。

図８に示すように、本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子２００は、基板２１０上にバッファ層２２０、ｎ型窒化ガリウム層２３０、活性層２４０、及びｐ型窒化ガリウム層２５０が順次積層されている。

前記基板２１０は、好ましくは、サファイアを含む透明な材料を利用して形成され、サファイアの他に、基板２１０は、ジンクオキサイド（ｚｉｎｃｏｘｉｄｅ、ＺｎＯ）、ガリウムナイトライド（ｇａｌｌｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅ、ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ、ＳｉＣ）、及びアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）で形成することができる。

前記バッファ層２２０は、ＧａＮで形成されるが、省略できる。

前記ｎ型又はｐ型窒化ガリウム層２３０、２５０は、各導電型不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成され、前記活性層２４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で構成された多重井戸構造（Ｍｕｌｔｉ−ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）で形成される。

前記ｐ型窒化ガリウム層２５０と、前記活性層２４０の一部は、メサエッチングにより除去されて、底面にｎ型窒化ガリウム層２３０の一部を露出させている。

前記ｐ型窒化ガリウム層２５０上には、前記本発明の表面凹凸の製造方法（図４参照）により製造された表面凹凸１１０ａが形成されている。このとき、前記表面凹凸１１０ａは、前記ｐ型窒化ガリウム層２５０と屈折率が似ており、可視光線帯域に光の吸収率の低いＴｉＯ₂からなることが好ましく、これにより、後述する電極形成領域を除いた領域に形成されることが好ましい。

一方、本発明は、電流拡散効率を向上させるために、前記ｐ型窒化ガリウム層２５０と前記表面凹凸１１０ａとの間にＩＴＯなどからなる電流拡散層（図示せず）をさらに備えることができる。

前記表面凹凸１１０ａが形成されない前記ｐ型窒化ガリウム層２５０上には、ｐ型電極２６０が形成されており、前記メサエッチングにより露出したｎ型窒化ガリウム層２３０上の所定部分には、ｎ型電極１７０が形成されている。ここで、前記ｐ型電極２６０及び前記ｎ型電極２７０は、反射機能及び電極機能を同時に行うことができるように、Ｃｒ／Ａｕからなることが好ましい。

<第２の実施形態>
図９を参考にして、本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について詳細に説明する。図９は、本発明によって製造された表面凹凸が適用された垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示した断面図である。

図９に示すように、本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子３００は、最上部には、Ｃｒ／Ａｕなどからなるｎ型電極２７０が形成されている。

前記ｎ型電極２７０の下面には、ｎ型窒化ガリウム層２３０が形成されている。

一方、本実施形態では、素子の電流拡散効率を極大化するために、前記ｎ型電極２７０と前記ｎ型窒化ガリウム層２３０との間の界面に、ＩＴＯなどからなる電流拡散層（図示せず）をさらに備えることができる。

また、前記ｎ型電極２７０が形成されないｎ型窒化ガリウム層２３０の上面には、前記本発明の表面凹凸の製造方法（図４参照）により製造された表面凹凸１１０ａが形成されている。このとき、前記表面凹凸１１０ａは、前記ｎ型窒化ガリウム層２３０と屈折率が似ており、可視光線帯域に光の吸収率の低いＴｉＯ₂からなることが好ましい。

前記ｎ型窒化ガリウム層２３０の下面には、活性層２４０及びｐ型窒化ガリウム層２５０が下へ順次積層されている。

前記ｎ型又はｐ型窒化ガリウム層２３０、２５０は、各導電型不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層、前記活性層２４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で構成された多重井戸構造であり得る。

前記ｐ型窒化ガリウム層２５０の下面には、ｐ型電極２６０が形成されている。一方、図示していないが、前記ｐ型窒化ガリウム層２５０の下面には、ｐ型電極２６０及び反射膜（図示せず）が下へ順次積層されている構造を有することができ、本実施形態のように、反射膜を備えない場合には、ｐ型電極２６０が反射膜として機能する。

前記ｐ型電極２６０の下面には、導電性接合層（図示せず）により構造支持層３１０が接合されている。このとき、前記構造支持層３１０は、最終的なＬＥＤ素子の支持層及び電極としての機能を果たすものであって、シリコン（Ｓｉ）基板、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板又は金属層などからなる。ここで、前記金属層は、電解メッキ、無電解メッキ、熱蒸着、電子線蒸着、スパッタ、化学気相蒸着などの方式により形成されたことが使用できる。

すなわち、図４を参考にして説明した本発明に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の表面凹凸の製造方法により製造された表面凹凸は、第１の実施形態では、ｐ型窒化ガリウム層上に形成された水平構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を例示したものでおり、第２の実施形態では、ｎ型窒化ガリウム層上に形成された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を例示したものである。

前記垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、サファイア基板上に成長するが、このようなサファイア基板は、硬く電気的に不導体であり、熱伝導特性が良くないため、窒化ガリウム系ＬＥＤのサイズを減らして製造原価を低減するか、光出力及びチップの特性の改善に限界があるので、ＬＬＯ（ＬａｓｅｒＬｉｆｔ−Ｏｆｆ）工程によりサファイア基板が除去された素子である。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、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、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更を行うことが可能であり、このような置換、変更なども、特許請求の範囲に属するものである。

一般的な窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の外部量子効率の減少問題点を説明するための図である。従来の技術に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の表面凹凸の製造方法を説明するために順次に示した工程断面図である。従来の技術に係るさらに他の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の表面凹凸の製造方法を説明するために順次に示した工程断面図である。本発明に係る窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の表面凹凸の製造方法を説明するために順次に示した工程断面図である。一般的な表面凹凸の構造を示した断面図である。表面凹凸のピッチ（ｐｉｔｃｈ）に応じる光抽出効率の変化を示したグラフである。表面凹凸の高さ（ｈｅｉｇｈｔ）に応じる光抽出効率の変化を示したグラフである。本発明によって製造された表面凹凸が適用された水平構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示した断面図である。本発明によって製造された表面凹凸が適用された垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示した断面図である。

符号の説明

１００窒化ガリウム層
１１０凹凸形成層
１１０ａ表面凹凸
１２０感光膜パターン
２１０基板
２２０バッファ層
２３０ｎ型窒化ガリウム層
２４０活性層
２５０ｐ型窒化ガリウム層
２６０ｐ型電極
２７０ｎ型電極
３１０構造支持層

Claims

基板上にｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、
前記ｎ型窒化ガリウム層上に活性層を形成するステップと、
前記活性層上にｐ型窒化ガリウム層を形成するステップと、
前記ｐ型窒化ガリウム層及び前記活性層の一部をメサエッチングして、前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させるステップと、
前記ｐ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップと、
前記凹凸形成層上に表面凹凸パターンを形成するための感光膜パターンを形成するステップと、
前記感光膜パターンをエッチングマスクとして、前記凹凸形成層を選択的にウェットエッチングすることにより、表面凹凸を形成するステップと、
前記表面凹凸が形成された前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、
前記露出したｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと
を含むことを特徴とする窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
前記ｐ型電極は、前記表面凹凸の形成されていないｐ型窒化ガリウム層上に形成することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
前記ｐ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップの前に、
前記ｐ型窒化ガリウム層上に電流拡散層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
基板上にｎ型窒化ガリウム層、活性層、ｐ型窒化ガリウム層を順次形成して、窒化ガリウム系半導体発光構造物を形成するステップと、
前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物上にｐ型電極を形成するステップと、
前記ｐ型電極上に導電性基板を接合するステップと、
前記基板をＬＬＯ工程により除去して、ｎ型窒化ガリウム層を露出させるステップと、
前記基板が除去されて露出した前記ｎ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップと、
前記凹凸形成層上に表面凹凸パターンを形成するための感光膜パターンを形成するステップと、
前記感光膜パターンをエッチングマスクとして、前記凹凸形成層を選択的にウェットエッチングすることにより、表面凹凸を形成するステップと、
前記表面凹凸の形成された前記ｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと
を含むことを特徴とする窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
前記ｎ型電極は、前記表面凹凸の形成されていないｎ型窒化ガリウム層上に形成することを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
前記ｎ型窒化ガリウム層上に凹凸形成層を形成するステップの前に、
前記ｎ型窒化ガリウム層上に電流拡散層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
前記凹凸形成層は、ＴｉＯ₂を使用して形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。