JP4670489B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Description
最初に、基本となる従来型の発光ダイオード(LED)の製作方法を、図15及び図16を参照しつつ説明する。
2)穴の外接円の直径が100nm以上4000nm以下であり、穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、穴の深さがp型半導体層全体の厚さ(活性層と平坦部分との間の距離)よりも浅い。
3)穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下である。
実施例1のLED構造において、InGaN/GaN多重量子井戸層(活性層)(105、205)におけるアンドープIn0.15Ga0.85N層の数を1層〜50層としたエピタキシャルウエハを準備し、それぞれのエピタキシャルウエハから従来型の表面光取出し型のLED構造と、実施例1と同様にして表面に穴を形成した表面光取出し型のLED構造とを作製した。
図5及び図6に示すように、実施例1のLED構造において、n型GaN層(104、204)とInGaN/GaN多重量子井戸層(活性層)(105、205)の間にSi濃度が3×1018cm−3のSiドープn型Al0.1Ga0.9N層(111、211)を挿入し、活性層を、6周期の、アンドープIn0.06Ga0.94N(膜厚:3.5nm)/Si濃度が3×1018cm−3のSiドープn型GaN層から成るInGaN/GaN多重量子井戸層(活性層)(105、205)とした、青紫LED(発光波長:400nm)用のエピタキシャルウエハを製作し、実施例1と同様な実験を行った。その結果、実施例1の場合と同様に、
1)LED構造の表面における穴の開口部が表面で占める面積の割合が10%以上85%以下である。
2)穴の外接円の直径が100nm以上4000nm以下であり、穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、穴の深さがp型半導体層全体の厚さ(活性層と平坦部分との間の距離)よりも浅い。
3)穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下である。
の場合に、従来型のLED構造と比較して発光出力の顕著な増大が認められた。
図7及び図8に示すように、実施例3のLED構造において、多重量子井戸をInxAlyGazN(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)で表される井戸層と、これとは組成が異なり、且つ井戸層よりもバンドギャップの大きいInaAlbGacN(0≦a,b,c≦1、a+b+c=1)で表される障壁層から成るInAlGaN/InAlGaN多重量子井戸層(活性層)(112、212)で構成した紫外LED用のエピタキシャルウエハ(発光波長:320nm〜395nm)を製作し、実施例1と同様な実験を行った。その結果、実施例1の場合と同様に、
1)LED構造の表面における穴の開口部が表面で占める面積の割合が10%以上85%以下である。
2)穴の外接円の直径が100nm以上4000nm以下であり、穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、穴の深さがp型半導体層全体の厚さ(活性層と平坦部分との間の距離)よりも浅い。
3)穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下である。
の場合に、従来型のLED構造と比較して発光出力の顕著な増大が認められた。
図9及び図10に示すように、実施例1と同様な成長条件を用いて、n型GaN層が最上層にある青色LED用のエピタキシャルウエハを成長した。具体的には、まず、サファイアから成る基板(101、201)上にGaNから成る低温成長バッファ層(102、202)、アンドープGaN層(膜厚:2μm)(103、203)、Mg濃度が5×1019cm−3のMgドープp型GaN層(膜厚:4μm)(107、207)、Mg濃度が3×1019cm−3のMgドープp型Al0.1Ga0.9N層(膜厚:35nm)(106、206)を成長した。ここで一度成長を中断し、エピタキシャルウエハを成長装置から取出した。その後、成長装置に残留したMgを除去するために、成長装置内にエピタキシャルウエハが無い状態で水素を50slmの流量で流しつつ、温度を1200℃にまで上げて30分間の空焼きを行った。その後、成長装置の温度を再び室温まで戻し、先ほど取り出したエピタキシャルウエハを成長装置に導入した。そして、成長装置の温度を750℃として、6周期の、アンドープIn0.15Ga0.85N(膜厚:3.5nm)/Si濃度が3×1018cm−3のSiドープn型GaN層から成る量子井戸構造(InGaN/GaN多重量子井戸層(活性層)(105、205))を形成した。最後に、Si濃度が3×1018cm−3のSiドープn型GaN層(104、204)を200nm〜3000nmとした数種類のエピタキシャルウエハを成長した。
1)LED構造の表面における穴の開口部が表面で占める面積の割合が10%以上85%以下である。
2)穴の外接円の直径が100nm以上4000nm以下であり、穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、穴の深さがn型半導体層全体の厚さ(活性層と平坦部分との間の距離)よりも浅い。
3)穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下である。
の場合に、従来型のLED構造と比較して発光出力の顕著な増大が認められた。
実施例1と同様な実験を、基板を、SiC、GaN、AlN、又はZnOから成る基板に変更して行った。これらのいずれの基板を用いた場合にも、本発明によるLED構造は従来型のLED構造と比較して1.5倍〜2倍程度の発光出力の増大が認められた。従って、本発明が、用いる基板の種類に依存せずに適用可能であることが明らかとなった。
次に、図11及び図12に示すように、実施例1に記載された従来型のLED構造の成長手順を基にして、n型GaN層に高濃度にSiをドーピングすることにより、n型不純物高濃度ドープ層(113、213)を形成し、それによりLED構造の表面に穴を形成することを試みた。
1)LED構造の表面における穴の開口部が表面で占める面積の割合が10%以上85%以下である。
2)穴の外接円の直径が100nm以上4000nm以下であり、穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、穴の深さがp型半導体層全体の厚さ(活性層と平坦部分との間の距離)よりも浅い。
3)穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下である。
の場合に、従来型のLED構造と比較して発光出力の顕著な増大が認められた。
次に、図13及び図14に示すように、実施例1の従来型のLED構造の成長手順を基に、通常、GaN層の成長に用いられている基板温度である1000℃よりも低い基板温度でp型GaN層を成長することで、LED構造の表面に穴を形成することを試みた。
1)LED構造の表面における穴の開口部が表面で占める面積の割合が10%以上85%以下である。
2)穴の外接円の直径が100nm以上4000nm以下であり、穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、穴の深さがp型半導体層全体の厚さ(活性層と平坦部分との間の距離)よりも浅い。
3)穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下である。
の場合に、従来型のLED構造と比較して発光出力の顕著な増大が認められた。
実施例1と同様なエピタキシャルウエハに対して、以下の方法により表面に穴を形成した。
2)H2SO4、H3PO4、HCl、KOH、NaOHの水溶液又はエチレングリコール溶液、あるいは、これらの混合物の水溶液又はエチレングリコール溶液中での、ウエットエッチング
3)H2SO4、H3PO4、HCl、KOH、NaOHの水溶液又はエチレングリコール溶液、あるいは、これらの混合物の水溶液又はエチレングリコール溶液中での、電気化学エッチング
4)HCl、Cl2、SF6、BCl3、CH4の少なくとも一つを含むガスによるドライエッチング
これらの何れの方法によってもLED表面に穴を形成することができるが、その密度、径、深さは形成条件に依存している。しかしながら、何れの場合においても実施例1の場合と同様に、
1)LED構造の表面における穴の開口部が表面で占める面積の割合が10%以上85%以下である。
2)穴の外接円の直径が100nm以上4000nm以下であり、穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、穴の深さがp型半導体層全体の厚さ(活性層と平坦部分との間の距離)よりも浅い。
3)穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下である。
の場合に、従来型のLED構造と比較して発光出力の顕著な増大が認められた。
実施例7及び8に記載の本発明におけるLED構造の中で、従来型のLED構造と比較した発光出力の向上割合が1.5倍程度であったLEDについて、エピタキシャルウエハ表面をH3PO4中で150℃〜200℃の温度で5分間〜30分間エッチングした。このエッチングにより、実施例6及び7の段階で得られたものよりも、穴の径及び深さが大きくなり、その結果これらのLEDの発光出力は従来型のLED構造の1.8〜2.2倍にまで増大した。H3PO4以外のH2SO4、HCl、KOH、NaOH溶液あるいは、これらの混合溶液中で150℃〜250℃の温度でエッチングした場合にも同様な結果が得られた。
実施例1に記載の本発明における穴を有するLED構造の穴を有する表面及びエッチングにより生じた側面に、LED封止用のエポキシ樹脂よりも屈折率が大きい(n>1.5)材料から成る粉を付着させたることで、更に、発光出力を向上することができ、従来型のLED構造と比較して最大で2.5倍程度の発光出力を得ることができた。具体的には、粉としてはGaN、AlN、TiO2、ZnS、サファイア、SiC、ダイヤモンド、ZnO、ZnSが適しており、粉の粒径としては100nm以上10μm以下の範囲が適切であった。
上述の実施例では、n型不純物としてSiを用いた例を示したが、本発明の効果はこれに限定されるものではない。
更に、前記の実施例では透明導電膜としてNi/Auから成る透明導電膜を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Pd/Auから成る透明導電膜や、ITO、ZnOなどの金属酸化物系の材料から成る透明導電膜を用いた場合にも、前記の実施例とほぼ同様の結果が得られている。
更に、前記の実施例ではフリップ・チップ型のLED構造用の第一電極パッド(109、209)として、Agを用いた例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ni、Pd、Ti、Ag、Cu、Al、Auや、これらの複合膜を光を透過しない程度に厚く蒸着した電極を用いた場合にも、前記の実施例とほぼ同様の結果が得られている。
102 低温成長バッファ層
103 アンドープGaN層
104 n型GaN層
105 InGaN/GaN多重量子井戸層(活性層)
106 p型AlGaN層
107 p型GaN層
108 透明導電膜
109 第一電極パッド
110 第二電極パッド
111 n型AlGaN層
112 InAlGaN/InAlGaN多重量子井戸層(活性層)
113 n型GaN層(n型不純物高濃度ドープ層)
114 p型GaN層(p型穴形成層)
201 基板
202 低温成長バッファ層
203 アンドープGaN層
204 n型GaN層
205 InGaN/GaN多重量子井戸層(活性層)
206 p型AlGaN層
207 p型GaN層
209 第一電極パッド
210 第二電極パッド
211 n型AlGaN層
212 InAlGaN/InAlGaN多重量子井戸層(活性層)
213 n型GaN層(n型不純物高濃度ドープ層)
214 p型GaN層(p型穴形成層)
Claims (10)
- 基板側から少なくともn型窒化物半導体層、30層以下の量子井戸層から成る活性層、p型窒化物半導体層を順に半導体積層構造として有する発光ダイオードにおいて、
前記半導体積層構造の前記p型窒化物半導体層表面が平坦部分と複数の穴から成り、
前記複数の穴の面内占有率が10%以上85%以下であり、
前記穴の開口部の直径が100nm以上4000nm以下であり、
前記p型窒化物半導体層の厚さが1000nm以下であり、
前記穴の深さが100nm以上1000nm以下であり、
前記穴の深さが前記活性層と前記平坦部分との間の距離よりも浅く、
前記穴の形状が、円錐形又は多角錐形であり、
前記複数の穴の密度が8×105個/cm2以上1.08×1010個/cm2以下であり、
さらに前記平坦部分と前記複数の穴が設けられた前記p型窒化物半導体層表面に透明導電膜が形成され、
前記透明導電膜は前記複数の穴の内部まで設けられ、
前記平坦部分と前記複数の穴が設けられた前記p型窒化物半導体層は、p型ドーパントとしてMgが添加されたp型GaN層であり、そのMg濃度が1×10 19 /cm 3 以上であることを特徴とする発光ダイオード。 - 前記透明導電膜の表面の一部に電極パッドが形成されることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記平坦部分と前記複数の穴が形成された前記p型窒化物半導体層の表面に、GaN、AlN、TiO 2 、ZnS、サファイア、SiC、ダイヤモンド、ZnOのいずれかから成る、粒径が100nm以上10μm以下の粉を付着させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発光ダイオード。
- 基板上に少なくともn型窒化物半導体層と、30層以下の量子井戸層から成る活性層と、p型窒化物半導体層とを順に積層することにより半導体積層構造を形成し、
前記半導体積層構造の前記p型窒化物半導体層表面に複数の穴を設けることで、前記p型窒化物半導体層表面に平坦部分と前記複数の穴とを形成し、
前記平坦部分と前記複数の穴が形成された前記p型窒化物半導体層表面に透明導電膜を形成する発光ダイオードの製造方法において、
前記半導体積層構造は、p型ドーパントとしてMgが添加されたp型GaN層を前記p型窒化物半導体層として有すると共に、前記p型ドーパントであるMgの濃度を1×10 19 /cm 3 以上となるよう形成し、さらに前記p型GaN層の厚さを1000nm以下に形成し、
前記p型窒化物半導体層の表面に形成される前記複数の穴の面内占有率を10%以上85%以下に形成すると共に、前記穴の開口部の直径を100nm以上4000nm以下、かつ前記穴の深さが前記活性層と前記平坦部分との間の距離よりも浅くなるよう形成し、前記複数の穴を円錐形又は多角錐形の形状に形成し、前記複数の穴の密度を8×10 5 個/cm 2 以上1.08×10 10 個/cm 2 以下に形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 前記p型窒化物半導体層の表面に形成される複数の穴は、前記p型窒化物半導体層表面をエッチングすることにより形成することを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記n型窒化物半導体層のn型不純物濃度を5×10 18 /cm 2 以上、膜厚を1μm以上に形成することで前記n型窒化物半導体層に凹凸を形成し、前記凹凸を引き継ぐように前記活性層、前記p型窒化物半導体層を形成することで、前記p型窒化物半導体層の表面に前記平坦部分と前記複数の穴とを形成することを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記p型窒化物半導体層を形成する際の基板温度Tgが1000℃以下であって、前記基板温度Tgとp型不純物濃度(単位:/cm 3 )との関係が、p型不純物濃度>4.58×10 18 e 0.00211 Tgである条件により前記p型窒化物半導体層を形成する共に、前記p型窒化物半導体層の膜厚を100nm以上1μm以下に形成することで、前記p型窒化物半導体層の表面に前記平坦部分と前記複数の穴とを形成することを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記p型窒化物半導体層の表面に、Ni、W、Al、Ti、Au、Pt、Pd、Inから選ばれた金属から成り、且つ膜厚が0.5nm以上100nm以下である金属膜を形成し、前記金属膜が形成された半導体積層構造を熱処理することにより前記p型窒化物半導体層の表面に前記平坦部分と前記複数の穴とを形成することを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記複数の穴を形成した後に、H 2 SO 4 、H 3 PO 4 、HCl、KOH、NaOHの少なくとも1つを含む溶液を用いたウエットエッチングにより、前記穴の開口部又は深さの少なくとも一方を拡張することを特徴とする請求項4乃至8のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記透明導電膜を形成した後に、前記透明導電膜の表面の一部に電極パッドを形成することを特徴とする請求項4乃至9に記載の発光ダイオードの製造方法。
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