JP4927042B2 - 光子結晶発光素子及びその製造方法 - Google Patents

光子結晶発光素子及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光子結晶発光素子に関するもので、より詳細には、透明電極層に微細なホールによる光子結晶構造を採用し光取り出し効率が向上された光子結晶発光素子及びこのような光子結晶発光素子を製造する方法に関するものである。
半導体発光ダイオード(Light Emitting Diode、LED)は、電流が加わるとp、n型半導体の貼り合せ部分での電子と正孔の再結合により、多様な色の光を発生させることができる半導体装置である。このようなLEDは、フィラメントに基づく発光素子に比べ長い寿命、低い電源、優れた初期駆動特性、高い振動抵抗及び反復的な電源断続に対する高い公差等の様々な長所を有するため、その需要が継続的に増加しており、特に、最近では、青色系列の短波長の領域で発光が可能なIII族窒化物半導体が脚光を浴びている。
このような半導体発光素子では、活性層で発生した光は空気/GaN界面に入射時、入射角に応じて、反射される程度が異なる。理論的には入射角が約26°以上である場合、活性層で発生した光は全て内部全反射され、全反射された光は素子の側面を通じて出るか、内部で吸収または減衰され発光効率の低下の主な原因となる。
このような問題を最小化し外部光取り出し効果を向上させるための方法のうちの一つとして、光が外部に出射される面に凹凸パターンを形成する技術が知られている。
このように凹凸パターンを通じて光の全反射を減らす技術は、ある程度の外部光取り出し効果の向上には寄与できるが、より向上した発光効率のための構造が求められている。
特に、p型半導体層上に凹凸パターンを形成するために、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP−RIE)などのドライエッチングを行う場合、電気的作動のための半導体結晶構造(特に、活性層辺りの結晶構造)に深刻な損傷が引き起こされる。さらに、この場合、p型ドーピングされた部分にn型ドナーが生じ、p型半導体層のドーピング濃度を減少させるが、このような現象は極所的にのみ生じることではなく、縦的及び横的に伝播される。これにより、半導体発光素子は電気駆動素子としての機能自体が失われることもある。
本発明は、上記の従来技術の問題を解決するために案出されたもので、本発明の一目的は、透明電極層に微細なホールによる光子結晶構造を採用して光取り出し効率が向上された光子結晶発光素子及びこのような光子結晶発光素子を製造する方法を提供することである。また、本発明の他の目的はエッチング工程によるp型半導体層の被害を最小化し素子の電気的、光学的特性を向上させることである。
上記の技術的課題を解決するために、本発明の一態様は、第1導電型の第1半導体層及び第2導電型の第2半導体層とこれらの間に形成された活性層とを備える発光構造物と、上記第2半導体層上に形成され、上記活性層から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期を有するように配列された複数のホールを備えることにより光子結晶構造をなす透明電極層及び上記第1半導体層及び透明電極層に夫々電気的に連結された第1電極及び第2電極を含む光子結晶発光素子を提供する。
ここで、上記透明電極層は金属酸化物からなることが好ましい。具体的には、上記透明電極層は、ITO、In23、SnO2、MgO、Ga23、ZnO及びAl23から構成されたグループから選ばれた物質からなることができる。
好ましくは、上記ホールを埋め、上記透明電極層をなす物質の光屈折率と異なる光屈折率を有する物質をさらに含むことができる。ここで、上記ホールを埋める物質はSiO2であることが好ましい。また、上記ホールの形状は円形、四角形及び六角形のうちいずれかであることが好ましい。
一方、電流注入効率の側面で、上記透明電極層の光子結晶構造は上記第2電極が形成された領域を除いた領域に形成されることが好ましい。
好ましくは、上記第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層は夫々n型半導体層及びp型半導体層であってもよい。
また、上記第1導電型半導体層、活性層及び第2半導体層は窒化物からなることができる。
本発明の別の態様は、基板上に順に第1導電型の第1半導体層、活性層及び第2導電型の第2半導体層を形成する段階と、上記第2半導体層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、上記第2半導体層上の上記フォトレジストパターンが形成されていない領域に透明電極層を形成する段階と、上記フォトレジストパターンを除去する段階及び上記第1半導体層及び透明電極層に夫々電気的に連結されるよう第1電極及び第2電極を形成する段階を含み、上記フォトレジストパターンが除去された領域は上記活性層から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期を有し配列され上記透明電極層と光子結晶構造をなすことを特徴とする光子結晶発光素子の製造方法を提供する。
本発明のさらに別の側面は、基板上に順に第1導電型の第1半導体層、活性層及び第2導電型の第2半導体層を形成する段階と、上記第2半導体層上に光子結晶構造層を形成する段階と、上記光子結晶構造層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、上記光子結晶構造層のうち上記フォトレジストパターンが形成されていない領域を除去する段階と、上記光子結晶構造層が除去された領域に透明電極層を形成する段階と、上記フォトレジストパターンを除去する段階及び上記第1半導体層及び透明電極層に夫々電気的に連結されるよう第1電極及び第2電極を形成する段階を含み、上記光子結晶構造層は上記活性層から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期を有し配列され上記透明電極層と光子結晶構造をなすことを特徴とする光子結晶発光素子の製造方法を提供する。
上記光子結晶構造層は、上記透明電極層をなす物質の光屈折率と異なる光屈折率を有する物質からなることができ、具体的にはSiO2からなることができる。
上述のように、本発明によれば、透明電極層に微細なホールによる光子結晶構造を採用するので、光取り出し効率が向上された光子結晶発光素子を得ることができる。
さらに、本発明は光子結晶構造をp型半導体層ではない透明電極層に形成するため、エッチング工程によるp型半導体層の被害を最小化し素子の電気的、光学的特性を向上させることができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業者に対して本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張されている場合があり、図面間において同一の符号で表示される要素は同一の要素を表す。
図1は、本発明の一実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。図1を参照すると、本実施形態による光子結晶発光素子10は、サファイア基板11、n型半導体層12、活性層13、p型半導体層14、透明電極層15、n側電極16a及びp側電極16bを備えて構成される。
サファイア基板11は、半導体単結晶成長用基板として提供され、六角−菱型(Hexa−Rhombo R3c)の対称性を有する結晶体で、c軸方向の格子定数が13.001Å、a軸方向には4.765Åの格子間距離を有する。このようなサファイア基板11のC面では、比較的窒化物薄膜の成長が容易であり、高温下でも安定であるために窒化物成長用基板として主に用いられる。但し、本発明で採用されることができる半導体単結晶成長用基板はサファイア基板11に制限されず、単結晶成長用として一般的に用いることができるSiC、MgAl24、MgO、LiAlO2及びLiGaO2等からなる基板も用いることができる。
発光構造物をなすn型半導体層12及びp型半導体層14と活性層に対して説明すると、先ずn型半導体層12及びp型半導体層14は、窒化物半導体からなることが好ましい。本明細書において「窒化物半導体」とは、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表現される2成分系(bianary)、3成分系(ternary)または4成分系(quaternary)の化合物半導体を意味する。
即ち、n型半導体層12及びp型半導体層14は、AlxInyGa1-x-yN組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するn型不純物及びp型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表的には、GaN、AlGaN、InGaNがある。また、上記n型不純物としてSi、Ge、Se、TeまたはC等を用いることができ、上記p型不純物としてはMg、ZnまたはBe等を用いることができる。
活性層13は、単一または多重量子ウェル構造を有するドーピングされていない窒化物半導体層から構成され、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出する。
一方、n型半導体層12及びp型半導体層14、活性層13は半導体単結晶の成長工程、特に、窒化物単結晶の成長工程として公知の有機金属気相蒸着法(MOCVD)、分子ビーム成長法(MBE)及びハイブリッド気相蒸着法(HVPE)等の方法で成長させることができる。
透明電極層15は、活性層13から放出された光の出射経路、即ち、p型半導体層14の上面に形成され、光取り出し効率の向上のために光子結晶構造(photonic crystal)を有する。
ここで、光子結晶構造は、屈折率が異なる周期的な格子構造を人為的に作り、電磁気波の伝達及び発生を制御する構造をいう。屈折率が異なる周期的な格子構造内では光子結晶の影響で伝播モードが存在できない特定波長帯域が存在するようになる。このように伝播モードが存在できない領域を、電子状態が存在できないエネルギー領域と同様に、電磁気的バンドギャップ(Electromagnetic band gap)或いは光子バンドギャップ(Photonic band gap)とし、このようなバンドギャップを有する構造を光子結晶とする。この場合、光子結晶の周期が光の波長と同等な大きさを有すると光子バンドギャップ構造を有するようになる。
このような光子結晶構造を活用すると、光の伝播を制御することができる上、自発放出の制御も可能であり、光素子の性能向上と小型化に大きく寄与することができる。
即ち、特定のエネルギーを有する光子が光子バンドギャップ内にあるように光子結晶が形成されると光子が側面伝播されることが防がれ、略全ての光子が素子の外部に放出されることができるため、光取り出し効率が改善されることを期待することができる。
本実施形態では、透明電極層15に所定の大きさと周期を有し2次元配列された複数のホールHを形成することにより光子結晶構造を得ることを特徴とする。
一方、このような光子結晶構造と電極16b/p型半導体層14のオーム接触機能等を考慮し、上記透明電極層15は金属酸化物からなることが好ましい。例えば、透明電極層15はITO、In23、SnO2、MgO、Ga23、ZnO、Al23等からなることができる。
尚、本実施形態で、透明電極層15に形成されたホールHは特定物質で埋まっていない状態、即ち、空気(air)が埋まっている状態である。
但し、実施形態によっては、ホールHが特定物質で埋まることができる(図2b参照)。この場合、ホールHを埋める物質は透明電極層15をなす物質の屈折率を考慮し、これと異なる屈折率を有する物質が選択されることができる。上述のように、上記透明電極層15をなす物質が金属酸化物である点を考慮すると、ホールHはSiO2で埋まることが好ましい。
また、透明電極層15の厚さは数百nmから数μmの範囲まで変化することができる。従って、p型半導体層に光子結晶構造を採用する場合に比べ厚さの範囲をより広い範囲で調節することができるという利点がある。
透明電極層15で光子結晶構造を形成するために、ホールHはその大きさと周期が調節され配置される。具体的にホールHは活性層13から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期を有するように配列されることにより、透明電極層15は光子結晶構造を形成することができる。
図2aは、図1でホールを備える透明電極層を、より具体的に図示した平面図である。図2aを参照すると、光子結晶構造をためにホールHは周期aを有し透明電極層15を貫通して形成され、その大きさ、即ち、半径がrになる(直径d)。この場合、光子結晶構造をなすために上記周期aは放出光の波長Λと保護同一になるように決定され、周期a、波長Λ及びホールの半径r等が光子バンドギャップの形成に影響を及ぼす。これについては図4を参照して後述する。一般的に活性層から放出される光の波長を考慮すると、ホールHの半径rは数十から数百ナノメートルになることができる。
上述のように、ホールは空気ではないSiO2のような物質で埋めることができ、図2bに示すようになる。図2bの実施形態は、透明電極層15’に対して、光子結晶構造として図2aのホールがSiO2等の物質で埋まった構造H’を有する。この場合、ホールを埋める物質はSiO2の他に透明電極層15’をなす物質と屈折率が異なる物質で、例えば、他の酸化物や無機物または有機物等が採用されることができる。
図2a及び図2bに図示されたホールHの配列構造は、第1列と第2列がずれているジグザグ配列構造である。このような配列構造の他にも、実施形態によっては図3aのように透明電極層35を貫通するように夫々のホール(H、本実施形態ではSiO2が埋まる)が列と行を合わせ配列されることにより光子結晶構造をなすこともできる。
また、ホールの形状も一般的に採用されることができる円形の他にも四角形や六角形等の多角形になることができる。このようにホールの形状を変形させながら、後述するようにTM、TEモード等の光子バンドギャップを調節することができ、これにより、光取り出し効率を極大化することができる。図3bを参照すると、図3aの実施形態から多少変形された実施形態では透明電極層35’を貫通するホールH’の形状は四角形で、前と同様にその内部はSiO2で埋まったことが分かる。
本発明の実施形態で、ホールの周期aと半径r及び活性層から放出され透明電極層に入射される光の波長Λの相互間の関係は光子バンドギャップを形成することにおいて大きな影響を及ぼし、図4を参照してこれを説明する。
図4は、光子結晶構造を形成するための光子バンドギャップを示すグラフであり、半径r/周期aと周期a/波長Λに従って光子バンドギャップをシミュレーションしたものである。
図4を参照すると、相対的に太く表示された線はTEモード(Transverse Electric mode)により形成される光子バンドギャップを示し、薄く表示された線は光のTMモード(Transverse Magnetic mode)により形成される光子バンドギャップを示す。上記で説明したように特定のエネルギーを有する光子が光子バンドギャップ内にあるように光子結晶構造が形成されると光子が側面伝播されることが防がれ、略全ての光子が素子の外部に放出されることができる。即ち、図4に図示された光子バンドギャップの範囲に光子のエネルギーが含まれる場合は外部光取り出し効率の向上効果を期待することができる。
従って、図4のシミュレーション結果を参照して上記ホールの周期aと半径r及び光の波長Λを調節することにより光子結晶構造を形成することができる。この場合、発光素子自体の特性で上記波長Λが決まることが一般的であるため、これによりホールの周期aと半径rを調整することが好ましい。本実施形態では、上記波長Λは450nmになるようにした。
一方、n側電極16a及びp側電極16bは、素子の電気的連結のための電極層として機能する。この場合、n側電極16a及びp側電極16bは一般的にAuまたはAuを含んだ合金からなる。このようなn側電極16a及びp側電極16bは通常の金属層成長方法である蒸着法またはスパッタリング工程により形成されることができる。
図5は、本発明の他の実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。本実施形態による光子結晶発光素子は、図1の実施形態を多少変形したもので、透明電極層15の光子結晶構造がp側電極16bの形成領域を除いた領域に形成される。これは効率的な電流注入のためにp側電極16bが接触する上記透明電極層15部分を平板に形成した構造である。この違いを除き、他に同一の番号が付された要素は、前の実施形態と同一の要素を表す。
以下、図6と図7を参照して、上述の実施形態による光子結晶発光素子を製造する工程に関して説明する。この場合、基板上に形成される半導体単結晶や電極層は一般的に公知の工程により製造されることができることは上述したため、以下では透明電極層で光子結晶構造を得る工程を説明する。
図6及び図7は、本発明の一実施形態による光子結晶発光素子の製造方法のうち、光子結晶構造を形成する工程を図示した断面図である。
図6の製造方法を説明すると、先ず、図6(a)のように発光構造物61上にフォトレジストパターンPRを形成する。ここで、発光構造物61とは、図1に図示された基板、n型半導体層及びp型半導体層、活性層を含む構造と理解することができ、その形成方法は上述のようである。
上記フォトレジストパターンPRは、上記p型半導体層の上面に形成される。上記フォトレジストパターンPRは、除去された後、それに対応される位置にホールHを形成させるためにもので、ホールHの半径や周期等を考慮しパターニングされる。この場合、考慮される事項は上述のようにホールHが活性層から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期を有するように配列されなければならないということである。
次いで、図6(b)のようにフォトレジストパターンPRの間に透明電極層62をなす物質を形成する。具体的に、ITO等の金属酸化物層を蒸着または陽極酸化等の工程により形成する。このような金属酸化物層は前の実施形態で説明した透明電極層に該当しフォトレジストパターンPRが除去された後、それに対応される位置のホールHにより光子結晶構造をなす。
図6(c)は、フォトレジストパターンPRを除去し透明電極層62の光子結晶構造を完成したものである。フォトレジストパターンPRの除去は公知の一般的な工程、例えば、アッシングやストリッピング工程等により行われることができる。このような工程により形成された透明電極層62は図1の実施形態に図示されたものと同様である。
また、図7を参照して他の実施形態による光子結晶構造の形成工程を説明する。
先ず、図7(a)のように発光構造物71上にSiO2層73を蒸着等の方法により形成する。SiO2層73は図6のホールHを埋めるためのもので、これにより完成された光子結晶構造は図2(b)に図示したようである。また、上述のようにSiO2層73は他の物質、例えば、他の酸化物や無機物または有機物等が採用されることができる。
次いで、図7(b)のようにSiO2層72上にフォトレジストパターンPRを形成した後、図7(c)のように上記フォトレジストパターンPRが形成されず露出されたSiO2層73の一部領域を食刻する。このように食刻された領域により発光構造物71の一部が露出され、上記露出された領域は金属酸化物層を形成するためのものである。
次に、図7(d)のようにフォトレジストパターンPRの間に透明電極層72をなす物質を形成する。具体的には、ITO等の金属酸化物層を蒸着または陽極酸化等の工程により形成する。このような金属酸化物層は前の実施形態で説明した透明電極層に該当しフォトレジストパターンPRが除去された後、SiO2層73により光子結晶構造をなす。
最後に、フォトレジストパターンPRを除去し透明電極層72の光子結晶構造を完成する。上述のように、フォトレジストパターンPRの除去は、公知の一般的な工程、例えば、アッシングやストリッピング工程等により行われることができる。
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、上記の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。
本発明の一実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。 図1のホールを備える透明電極層をより具体的に図示した平面図である。 別の実施形態による透明電極層を図示した平面図である。 さらに別の実施形態による透明電極層を図示した平面図である。 さらに別の実施形態による透明電極層を図示した平面図である。 光子結晶構造を形成するための光子バンドギャップを示すグラフで、半径r/周期aと周期a/波長Λに従って光子バンドギャップをシミュレーションした結果を示す図である。 本発明の他の実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。 本発明の一実施形態による光子結晶発光素子の製造方法のうち、光子結晶構造を形成する工程を図示した断面図である。 本発明の別の実施形態による光子結晶発光素子の製造方法のうち、光子結晶構造を形成する工程を図示した断面図である。
符号の説明
11 サファイア基板
12 n型半導体層
13 活性層
14 p型半導体層
15、35、55 透明電極層
16a n側電極
16b p側電極

Claims (11)

  1. 第1導電型の第1半導体層及び第2導電型の第2半導体層とこれらの間に形成された活性層とを備える発光構造物と、
    前記第2半導体層上に形成され、前記活性層から放出された光に対して光子結晶構造をなすことができる大きさと周期を有するように配列された複数のホールを備える透明電極層と、
    前記第1半導体層及び前記透明電極層に夫々電気的に連結された第1電極及び第2電極と、
    を含み、
    前記ホールは、前記透明電極層をなす物質の光屈折率と異なる光屈折率を有するSiO で埋められていることを特徴とする光子結晶発光素子。
  2. 前記透明電極層は、金属酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載の光子結晶発光素子。
  3. 前記透明電極層はITO、In23、SnO2、MgO、Ga23、ZnO及びAl23から構成されたグループから選ばれた物質からなることを特徴とする請求項2に記載の光子結晶発光素子。
  4. 前記ホールの形状は、円形、四角形及び六角形のうちいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の光子結晶発光素子。
  5. 前記透明電極層の光子結晶構造は、前記第2電極が形成された領域を除いた領域に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の光子結晶発光素子。
  6. 前記第1半導体層及び第2半導体層は、夫々n型半導体層及びp型半導体層であることを特徴とする請求項1に記載の光子結晶発光素子。
  7. 前記第1半導体層、前記活性層及び前記第2半導体層は窒化物からなることを特徴とする請求項1に記載の光子結晶発光素子。
  8. 基板上に順に第1導電型の第1半導体層、活性層及び第2導電型の第2半導体層を形成する段階と、
    前記第2半導体層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記第2半導体層上の前記フォトレジストパターンが形成されていない領域に透明電極層を形成する段階と、
    前記フォトレジストパターンを除去する段階と、
    前記フォトレジストパターンが除去された領域に、前記透明電極層をなす物質の光屈折率と異なる光屈折率を有するSiO を埋める段階と、
    前記第1半導体層及び前記透明電極層に夫々電気的に連結されるよう第1電極及び第2電極を形成する段階と、を含み、
    前記フォトレジストパターンが除去された領域は、前記活性層から放出された光に対して光子結晶構造をなすことができる大きさと周期を有するように配列されことを特徴とする光子結晶発光素子の製造方法。
  9. 基板上に順に第1導電型の第1半導体層、活性層及び第2導電型の第2半導体層を形成する段階と、
    前記第2半導体層上に光子結晶構造層を形成する段階と、
    前記光子結晶構造層上にフォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記光子結晶構造層のうち前記フォトレジストパターンが形成されていない領域を除去する段階と、
    前記光子結晶構造層が除去された領域に透明電極層を形成する段階と、
    前記フォトレジストパターンを除去する段階と、
    前記第1半導体層及び前記透明電極層に夫々電気的に連結されるよう第1電極及び第2電極を形成する段階と、を含み、
    前記光子結晶構造層は、前記透明電極層をなす物質の光屈折率と異なる光屈折率を有するSiO からなり、前記活性層から放出された光に対して光子結晶構造をなすことができる大きさと周期を有するように配列されことを特徴とする光子結晶発光素子の製造方法。
  10. 前記透明電極層は、金属酸化物からなることを特徴とする請求項またはに記載の光子結晶発光素子の製造方法。
  11. 前記透明電極層は、ITO、In23、SnO2、MgO、Ga23、ZnO及びAl23から構成されたグループから選ばれた物質からなることを特徴とする請求項10に記載の光子結晶発光素子の製造方法。
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