JP4964899B2

JP4964899B2 - パターニングされた発光ダイオード用基板及びそれを採用する発光ダイオード

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Publication number: JP4964899B2
Application number: JP2008554116A
Authority: JP
Inventors: ジンユン、ヨ; チョルソ、ウォン
Original assignee: Seoul Viosys Co Ltd
Current assignee: Seoul Viosys Co Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: US8895329B2; KR100659373B1; WO2007091762A1; US20140080239A1; US20080230793A1; US8614458B2; JP2009526397A

Description

本発明は、発光ダイオード用基板及びそれを採用する発光ダイオードに関し、より詳しくは、パターニングされた発光ダイオード用基板及びそれを採用する発光ダイオードに関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオードが、約１０年間適用されてきている。ＧａＮ系ＬＥＤは、ＬＥＤ技術を相当程度変化させており、現在、天然色ＬＥＤ表示素子、ＬＥＤ交通信号機、白色ＬＥＤ等、様々な応用に用いられている。

最近、高効率白色ＬＥＤは、蛍光ランプを代替するものと期待されており、特に、白色ＬＥＤの効率は、通常の蛍光ランプの効率とほぼ同水準に達している。しかし、ＬＥＤ効率は、まだ改善の余地があり、したがって、持続的な効率の改善がさらに要求されている。

ＬＥＤ効率を改善するために、二つの重要な取り組みが試みられている。第一は、結晶質及びエピタキシャル層構造により決定される内部量子効率を増加させることであり、第二は、光抽出効率を増加させることである。
内部量子効率は、現在、７０〜８０％に至っており、改善の余地が少ないが、光抽出効率は、改善の余地が多い。光抽出効率の改善は、熱放出構造及び粗面を採用して、内部光損失を除去することが主な課題となっている。

一方、粗面は、ＧａＮ系ＬＥＤとその周辺、例えば、基板及び大気の屈折率差による全反射を防止するために採用される。ＧａＮ系半導体物質は、約２．４の高屈折率を有するので、臨界角が相対的に大きい。臨界角以下の角で表面に入射された光は、全反射され、再びＬＥＤの内部に戻り、このような光は、再び反射されて外部に放出されてもいるが、一部は、ＬＥＤの内部又は電極に吸収され、熱として損失される。前記粗面は、表面に入射された光が、全反射によりＬＥＤの内部に戻ることを防止し、光を外部に放出させる。

一方、光抽出効率を改善させるために、パターニングされたサファイア基板を採用する技術が、「InGaN-Based Near-Ultravilolet and Blue-Light-Emitting Diodes with High External Quantum Efficiency Using a Patterned Sapphire Substrate and a Mesh Electrode」という題目で、日本応用物理学会誌（Japanese Journal of Applied Physics, Vol.41, 2002, pp.L1431-L143）に、２００２年１２月１５日付で公開されことがある。
上記論文によると、サファイア基板をエッチングし、凸状の六角柱を形成することにより、ＬＥＤと基板との間で光が全反射されて損失することを減少させ、光抽出効率を改善することができる。

しかしながら、未だに発光ダイオードの光抽出効率は、満足すべき水準に至っておらず、光抽出効率の改善に対する持続的な努力が要求される。

本発明が解決しようとする技術的課題は、光抽出効率をさらに向上させることができるパターニングされた発光ダイオード用基板を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、光抽出効率をさらに向上させることができるパターニングされた基板を採用する発光ダイオードを提供することにある。

上述した技術的課題を達成するために、本発明は、パターニングされた発光ダイオード用基板及びそれを採用する発光ダイオードを提供する。本発明の一態様による発光ダイオード用基板は、上部面及び下部面を有する。前記上部面に突出パターンが配列される。一方、陥凹領域が前記各突出パターンを取り囲む。前記陥凹領域の底面は、凹凸を形成する。これにより、前記突出パターン及び陥凹領域により、光が不規則に散乱することにより、全反射による光損失を減少させ、光抽出効率を改善することができる。

前記基板は、サファイア基板であってもよい。サファイアは、約１．７の屈折率を有するので、ＳｉＣ又はＧａＮ基板に比べて臨界角が大きく、全反射による光損失が相対的に大きい。したがって、前記突出パターン及び陥凹領域により、光損失を大きく減少させることができる。

一方、前記下部面は、平面であってもよい。すなわち、前記下部面は、パターニングされない。これにより、前記下部面では、全反射が行われ、全反射された光は、発光ダイオード側に戻り、発光ダイオードの上部に放出される。これにより、前記基板の下部面に放出される光を減少させることができ、光抽出効率をさらに改善することができる。

前記各突出パターンを取り囲む陥凹領域は、前記突出パターンを中心として対称をなしてもよい。また、前記突出パターンの断面は、例えば、三角形、四角形、五角形、六角形等の多様な形状であってもよく、その上面は、上に凸であってもよい。

前記陥凹領域の側壁は、傾斜面を形成してもよい。前記傾斜面は、前記突出パターンが下方へ行くほど広く形成される。これにより、前記傾斜面に入射された光は、殆ど前記基板側に入射される。

本発明の他の態様によるパターニングされた基板を採用する発光ダイオードは、上部面及び下部面を有する基板を備える。前記上部面に突出パターンが配列される。一方、陥凹領域が、前記各突出パターンを取り囲む。前記陥凹領域の底面は、凹凸を形成する。これに加えて、第１の導電型半導体層が、前記基板の上部面に形成されて位置する。また、前記第１の導電型半導体層の一領域上に第２の導電型半導体層が位置し、前記第１の導電型半導体層と第２の導電型半導体層との間に活性層が介在される。これにより、前記突出パターン及び陥凹領域により、光抽出効率が改善された発光ダイオードが提供される。

前記基板と前記第１の導電型半導体層との間にバッファ層が介在されてもよい。前記バッファ層は、前記第１の導電型半導体層と前記基板の格子不整合を緩和する。
本発明のまた他の態様は、パターニングされた発光ダイオード用基板の製造方法を提供する。前記製造方法は、平らな上部面及び下部面を有する基板を用意することを含む。前記上部面上に第１の陥凹領域を限定する第１のマスクパターンが形成される。次いで、前記第１のマスクパターンをエッチングマスクとして用い、前記基板を部分的にエッチングし、第１の陥凹領域が形成され、残存する前記第１のマスクパターンが除去される。また、前記上部面上に第２の陥凹領域を限定する第２のマスクパターンが形成される。前記第２の陥凹領域は、前記第１の陥凹領域と部分的に重なり合って形成される。次いで、前記第２のマスクパターンをエッチングマスクとして用い、前記基板を部分的にエッチングし、第２の陥凹領域が形成される。これにより、突出パターン及び陥凹領域を有するパターニングされた発光ダイオード用基板が製造される。

前記第１のマスクパターンは、互いに平行な線を有してもよい。また、前記第２のマスクパターンは、前記第１のマスクパターンの平行な線を横切る線を有してもよい。これにより、断面が四角形状である突出パターンが形成され、前記突出パターンを取り囲む陥凹領域が形成される。

前記第１及び第２の陥凹領域の側壁は、傾斜面を形成してもよい。前記傾斜面は、前記第１のマスクパターン及び第２のマスクパターンを傾斜して形成することにより形成され得る。

前記形成された基板上に、バッファ層、第１の導電型半導体層、活性層、及び第２の導電型半導体層が形成されてもよい。次いで、前記第２の導電型半導体層及び活性層をエッチングし、前記第１の導電型半導体層の一領域が露出する。これにより、前記パターニングされた基板上に形成された発光ダイオードが提供される。

本発明の実施例によると、上部面に突出パターン及び凹凸を有する陥凹領域を有し、光抽出効率を改善することができるパターニングされた発光ダイオード用基板を提供することができ、前記基板を採用することにより、光抽出効率がさらに改善された発光ダイオードを提供することができる。

以下、添付した図面に基づき、本発明の実施例について詳述する。以下に紹介される実施例は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施例に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、便宜のために誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。

図１は、本発明の一実施例によるパターニングされた発光ダイオード用基板１０を説明するための平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線による断面図である。
図１及び図２を参照すると、前記基板１０は、下部面及び上部面を有する。前記基板１０の上部面に突出パターン１７が配列される。前記突出パターン１７は、二次元的に配列され、図示のように行列で配列されてもよいが、これに限定されるものではなく、ハニカム形状等の様々な形状に配列されてもよい。前記突出パターン１７は、四角形状として示されているが、これに限定されるものではなく、四角形以外に、三角形、五角形、又は六角形等の様々な形状を有してもよい。また、突出パターン１７の上部面は平らな面であってもよいが、これに限定されるものではなく、凸面であってもよい。

前記突出パターン１７のそれぞれは、第１の陥凹領域Ｒ１と第２の陥凹領域Ｒ２により取り囲まれる。前記突出パターン１７のそれぞれを取り囲む第１の陥凹領域Ｒ１及び第２の陥凹領域Ｒ２は、それぞれ突出パターン１７を中心として対称をなしてもよい。また、前記第１の陥凹領域Ｒ１と第２の陥凹領域Ｒ２は、互いに同一の形状であってもよい。

一方、前記第１の陥凹領域Ｒ１と第２の陥凹領域Ｒ２は、部分的に重なり合っている。前記陥凹領域が重なり合う領域１１は、他の領域に比べて底が深い。これにより、前記第１の陥凹領域Ｒ１及び第２の陥凹領域Ｒ２の底は、凹凸をなす。

すなわち、図２に示すように、突出パターン１７の上部面から、第１の陥凹領域と第２の陥凹領域が重なり合う領域（凹部）１１までの深さＤ３は、第１の陥凹領域内の凸部１３までの深さＤ１及び第２の陥凹領域内の凸部１５までの深さＤ２よりも深い。深さＤ１と深さＤ２は、互いに同一であってもよいが、図示のように、異なってもよい。

前記陥凹領域Ｒ１、Ｒ２の側壁は、傾斜面を形成する。このような傾斜面は、一定の傾きを有してもよいが、これに限定されるものではなく、その傾きの曲率が変わってもよい。

本実施例によると、突出パターン１７及び底が凹凸状である陥凹領域を有する基板が提供される。これにより、前記基板１０の上部面に入射された光は、不規則に進行経路を変えるようになり、これにより、全反射による光損失が減少する。特に、本実施例によると、前記陥凹領域Ｒ１、Ｒ２の底面が凹凸を形成するので、前記基板１０の上部面は、多様な高さの面及び傾斜面を有する。したがって、従来のパターニングされたサファイア基板に比べて、光経路をさらに不規則に変更することができ、全反射による光損失をさらに減少させることができる。

図３は、本発明の一実施例によるパターニングされた基板１０を採用する発光ダイオードを説明するための断面図である。
図３を参照すると、図１及び図２を参照して説明したような基板１０上に、第１の導電型半導体層２５、活性層２７、及び第２の導電型半導体層２９が位置する。前記第１の導電型半導体層２５の一領域は、露出する。一方、前記第１の導電型半導体層２５と前記基板１０との間にバッファ層２１が介在されてもよい。前記バッファ層２１は、第１の導電型半導体層２５と基板１０との間において格子不整合を緩和させるために用いられる。一方、前記バッファ層２１上にアンドープ半導体層２３がさらに介在されてもよい。

前記第１及び第２の導電型半導体層は、それぞれＮ型及びＰ型、又はＰ型及びＮ型であってもよい。前記第１及び第２の導電型半導体層は、それぞれ（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ化合物半導体で形成されてもよく、Ｎ型半導体層はＳｉを、Ｐ型半導体層はＭｇをドープして形成可能である。活性層２７も、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ化合物半導体で形成されてもよく、単一又は多重量子井戸構造で形成されてもよい。

一方、前記第１の導電型半導体層２５の露出した一領域上に電極パッド３３が形成されてもよく、前記第２の導電型半導体層２９上に電極３１及び電極パッド３５が形成されてもよい。前記電極３１は、メッシュ状に形成されてもよいが、これに限定されるものではなく、ＩＴＯ又はＮｉ／Ａｕの導電層に形成されてもよい。

本実施例によると、活性層２７から放出された光は、電極３１を透過して外部に放出され、活性層２７から前記基板１０に放出された光は、基板１０の上部面において規則的に全反射される代わりに不規則に進行経路を変え、前記基板１０の側面に放出され、又は、活性層２７側に戻る。活性層２７側に戻った光は、進行経路が変更され、外部に放出されやすくなる。これにより、全反射を繰り返し、電極又は半導体層内において損失する光を減少させることができ、光抽出効率が改善される。

図４乃至図６は、本発明の一実施例によるパターニングされた発光ダイオード用基板の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。ここで、図４の（ａ）及び図６の（ａ）は平面図であり、図４の（ｂ）及び図６の（ｂ）は、それぞれ図４の（ａ）及び図６の（ａ）のＡ−Ａ’線による断面図である。

図４の（ａ）及び図４の（ｂ）を参照すると、上部面及び下部面を有する基板１０上に、第１の陥凹領域Ｒ１を限定する第１のマスクパターン５１が形成される。前記基板１０は、サファイア、ＳｉＣ又はＧａＮ基板であってもよい。

前記第１のマスクパターン５１は、フォトレジストパターンであってもよいが、これに限定されるものではなく、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等の誘電層のパターンでってもよい。前記フォトレジストパターンは、フォトレジスト層を形成した後、写真及び現像工程を用いて形成されてもよい。この際、現像されたフォトレジスト層をリフローし、上部面よりも下部面がより広い幅を有するようにしてもよい。リフロー工程は、基板１０を１００〜１５０℃に加熱して行われてもよい。

一方、誘電層を用いたマスクパターンは、前記基板１０上に誘電層を形成した後、これをフォトリソグラフィーおよびエッチング工程を用いてパターニングすることにより形成されてもよい。この場合、前記マスクパターンの側壁は、傾斜面を形成するように形成されてもよい。

前記第１のマスクパターン５１は、図示のように、平行な線を有してもよい。これにより、平行な第１の陥凹領域Ｒ１が限定される。
次いで、前記第１のマスクパターン５１をエッチングマスクとして用い、前記基板１０を部分的にエッチングし、第１の陥凹領域Ｒ１を形成する。この際、前記基板１０のエッチング深さは、図２の凹部１３と大体同一の深さＤ１であってもよい。

図５を参照すると、前記エッチングが完了した後、残っている前記第１のマスクパターン５１を除去する。前記第１のマスクパターン５１は、アッシング又はエッチング工程を用いて除去されてもよい。

図６の（ａ）及び図６の（ｂ）を参照すると、前記第１の陥凹領域Ｒ１を有する基板１０上に、第２陥凹領域Ｒ２を限定する第２のマスクパターン５５を形成する。この際、前記第２の陥凹領域Ｒ２は、前記第１の陥凹領域Ｒ１と部分的に重なり合う。すなわち、前記第２の陥凹領域Ｒ２は、前記第１の陥凹領域Ｒ１を横切る。前記第１のマスクパターン５１が平行な線を有する場合、前記第２のマスクパターン５５は、第１のマスクパターン５１の平行な線を横切る線を有してもよい。前記第２のマスクパターン５５は、前記第１のマスクパターン５１と垂直となるように形成されてもよいが、これに限定されるものではない。一方、前記第２のマスクパターン５５は、上述したように、フォトレジストパターン又は誘電層のパターンであってもよい。

次いで、前記第２のマスクパターン５５をエッチングマスクとして用い、前記基板１０をさらに部分的にエッチングする。その結果、第２の陥凹領域Ｒ２が形成される。この際、前記基板１０のエッチング深さは、図２の凹部１５と大体同一の深さＤ２であってもよい。前記第２の陥凹領域Ｒ２の一部は、前記第１の陥凹領域Ｒ１と重なり合うので、重なり合った領域は繰り返してエッチングされ、これにより、前記重なり合った領域は、深さＤ１と深さＤ２の和の深さＤ３でエッチングされる。その結果、図１及び図２を参照して説明した基板１０が完成する。

本実施例によると、上部面に突出パターン１７と陥凹領域Ｒ１、Ｒ２が形成された基板１０が製造され、前記陥凹領域Ｒ１、Ｒ２の底は凹凸を形成する。また、第１の陥凹領域Ｒ１の深さＤ１と第２の陥凹領域Ｒ２の深さＤ２を異ならしてエッチングし、陥凹領域内の凸部１３、１５が異なる高さを有するようにすることができる。

本実施例において、２回の基板のエッチング工程を行うものと説明したが、これに限定されるものではなく、より多い回数の基板のエッチング工程を行ってもよい。また、第１及び／又は第２のマスクパターンを線状パターン以外に多様な形状に形成することも可能である。これにより、多様な深さの凹凸を有する陥凹領域を形成することができ、多様な形状の突出パターンを形成することができる。

本実施例による前記基板１０上に半導体層を形成して、発光ダイオードを製造することができる。以下では、前記基板１０を採用して発光ダイオードを形成する方法について説明する。

再び図３を参照すると、前記突出パターン１７及び陥凹領域Ｒ１、Ｒ２を有する基板１０上に、第１の導電型半導体層２５、活性層２７、及び第２の導電型半導体層２９が形成される。前記第１の導電型半導体層２５を形成する前に、バッファ層２１が形成されてもよく、これに加えて、アンドープ半導体層２３が形成されてもよい。

前記半導体層は、それぞれ、有機金属化学気相蒸着法（metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD）、ハイドライド気相成長法（hydride vapor phase epitaxy；HVPE）、分子線エピタキシー法（molecular beam epitaxy；MBE）等を用いて形成されてもよい。

前記第２の導電型半導体層２９及び活性層２７をパターニングし、前記第１の導電型半導体層２５の一領域が露出する。このようなパターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチング工程を用いて行われる。その後、前記第２の導電型半導体層２９上に電極３１が形成され、前記電極３１上に電極パッド３５及び第１の導電型半導体層２５上に電極パッド３３が形成される。前記電極３１及び電極パッド３３、３５は、リフトオフ技術を用いて形成されてもよい。

前記電極３３は、上述したように、第１の導電型半導体層２５の一領域を露出させた後に形成されてもよいが、前記第１の導電型半導体層２５を露出させる前に、電子ビーム蒸着(e-beam evaporation)技術を用いて電極層を形成した後、これを、フォトリソグラフィーおよびエッチング工程を用いてパターニングすることにより形成されてもよい。

図７は、本発明の他の実施例によるパターニングされた基板１０を採用する発光ダイオードを説明するための断面図である。
図７を参照すると、パターニングされた基板１０上に複数個の発光セル２８が形成される。前記基板１０は、図１及び図２を参照して説明した基板と同一の基板であり、突出パターン１７及び陥凹領域Ｒ１、Ｒ２を有する。

前記複数個の発光セル２８は、図３を参照して説明したように、それぞれ第１の導電型半導体層２５、前記第１の導電型半導体層の一領域上に形成された第２の導電型半導体層２９、及び前記第１の導電型半導体層と第２の導電型半導体層との間に介在された活性層２７を有する。ここで、前記複数個の発光セル２８の第１の導電型半導体層２５は、互いに離隔し、前記複数個の発光セル２８は、配線４１により互いに電気的に連結され、直列連結されたアレイを形成する。前記配線４１は、エアブリッジ工程またはステップカバー工程を用いて形成されてもよい。

これにより、交流電源に直接連結して駆動可能な発光ダイオードが提供される。交流電源に直接連結して使用可能な発光ダイオードの例は、国際公開番号ＷＯ２００４／０２３５６８（Ａ１）号に「発光成分を有する発光素子」（LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS）という題目で、サカイ等（SAKAI et. al.）により開示されたことがあり、前記発光ダイオードの動作についての説明は省略する。

本発明の一実施例によるパターニングされた発光ダイオード用基板を説明するための平面図である。図１のＡ−Ａ’線による断面図である。本発明の一実施例によるパターニングされた基板を採用する発光ダイオードを説明するための断面図である。本発明の一実施例によるパターニングされた発光ダイオード用基板の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。本発明の一実施例によるパターニングされた発光ダイオード用基板の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。本発明の一実施例によるパターニングされた発光ダイオード用基板の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。本発明の他の実施例によるパターニングされた基板を採用する発光ダイオードを説明するための断面図である。

Claims

上部面と、
下部面と、
前記上部面に配列された所定の突出パターンと、
前記各突出パターンを取り囲み、底面が凹凸を形成する所定のパターンを有する陥凹領域と、
を備え、
前記陥凹領域の前記パターンの凸部の上部面は、前記突出パターンの上部面より高さが低いことを特徴とするパターニングされた発光ダイオード用基板。
前記基板がサファイアであることを特徴とする請求項１に記載のパターニングされた発光ダイオード用基板。
前記下部面が平らな面であることを特徴とする請求項１に記載のパターニングされた発光ダイオード用基板。
前記各突出パターンを取り囲む陥凹領域が、前記突出パターンを中心として対称をなすことを特徴とする請求項１に記載のパターニングされた発光ダイオード用基板。
前記陥凹領域の側壁が、傾斜面を形成することを特徴とする請求項１に記載のパターニングされた発光ダイオード用基板。
上部面、下部面、前記上部面に配列された所定の突出パターン、及び前記各突出パターンを取り囲み、底面が凹凸を形成する所定のパターンを有する陥凹領域を有し、前記陥凹領域の前記パターンの凸部の上部面が、前記突出パターンの上部面より高さが低くパターニングされた基板と、
前記基板の上部面に形成された第１の導電型半導体層と、
前記第１の導電型半導体層の一領域上に形成された第２の導電型半導体層と、
前記第１の導電型半導体層と第２の導電型半導体層との間に介在された活性層と、
を備えることを特徴とする発光ダイオード。
前記基板と前記第１の導電型半導体層との間に介在されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
平らな上部面及び下部面を有する基板を用意し、
前記上部面上に第１の陥凹領域を限定する第１のマスクパターンを形成し、
前記第１のマスクパターンをエッチングマスクとして用い、前記基板を部分的にエッチングし、第１の陥凹領域を形成し、
前記第１のマスクパターンを除去し、
前記上部面上に第２の陥凹領域を限定する第２のマスクパターンを形成するが、前記第２の陥凹領域は、前記第１の陥凹領域と部分的に重なり合い、
前記第２のマスクパターンをエッチングマスクとして用い、前記基板を部分的にエッチングし、第２の陥凹領域を形成する
ステップを含むことを特徴とする発光ダイオード用基板の製造方法。
前記第１のマスクパターンが、互いに平行な線を有し、前記第２のマスクパターンが、前記第１のマスクパターンの平行な線を横切る線を有することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
前記第１及び第２の陥凹領域の側壁が、傾斜面を形成することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード用基板の製造方法。
平らな上部面及び下部面を有する基板を用意し、
前記上部面上に第１の陥凹領域を限定する第１のマスクパターンを形成し、
前記第１のマスクパターンをエッチングマスクとして用い、前記基板を部分的にエッチングし、第１の陥凹領域を形成し、
前記第１のマスクパターンを除去し、
前記上部面上に第２の陥凹領域を限定する第２のマスクパターンを形成するが、前記第２の陥凹領域は、前記第１の陥凹領域と部分的に重なり合い、
前記第２のマスクパターンをエッチングマスクとして用い、前記基板を部分的にエッチングし、第２の陥凹領域を形成し、
前記第２の陥凹領域が形成された基板上に第１の導電型半導体層、活性層、及び第２の導電型半導体層を形成し、
前記第２の導電型半導体層及び活性層をパターニングし、前記第１の導電型半導体層の一領域を露出させる
ステップを含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。