JP5134119B2 - 光散乱を強化した発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、光散乱を強化した発光素子に関する。

発光ダイオードのような半導体発光素子は、現在利用可能な最も効率的な光源に属する。可視スペクトルに亘って作動可能な高輝度ＬＥＤの製造における、現在関心を引いている材料システムは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金を含む。ＩＩＩ族窒化物材料に基づく発光素子は、紫外線から黄色スペクトル領域の高輝度半導体光源をもたらす。一般的に、ＩＩＩ族窒化物素子は、有機金属化学気相法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、又はその他のエピタキシアル技術によって、サファイア、炭化珪素、又はＩＩＩ族窒化物基板上にエピタキシアル的に成長させる。これらの基板には、絶縁性か又は電導性が小さいものがある。このような基板上に成長した半導体結晶から製造された素子は、素子の同一側面にエピタキシアル成長させた半導体に対して、正極及び負極の双方の電気接点を有していなければならない。対照的に、電導性基板上に成長させた半導体素子は、一方の電気接点はエピタキシアル成長させた材料上に形成され、他方の電気接点は基板上に形成されるように製造することができる。しかし、電導性基板上に製造された素子もまた、ＬＥＤチップからの光の抽出を改善するか、チップの通電能力を改善するか、又はＬＥＤダイのヒートシンク性を改善するために、エピタキシアル材料がフリップチップ形状に成長した素子の同一側面に両接点を有するように設計される場合がある。２種類の発光素子が、素子の同一側面に形成された接点を有している。フリップチップと呼ばれる第１の種類では、光は基板を通して抽出される。第２の種類では、光は、一般的に、エピタキシアル層に形成された透明又は半透明の接点を通して抽出される。

サファイアのような小屈折率の基板の使用は、半導体層と基板との間の界面における屈折率の大きな差によって、フリップチップ素子の光抽出効率の低下につながる場合がある。図１は、ＧａＮ層１１とサファイア基板１２との間の界面を示している。光線１０ａが界面に入射した時、部分１０ｃは、サファイア内に透過し、部分１０ｂは、ＧａＮ層１１内へ反射される。古典光学が当てはまる範囲では、ｎ_{サファイア}をサファイアの屈折率（１．８）、ｎ_GaNをＧａＮの屈折率（２．４）、Ｔを透過角、Ｉを入射角であるとする時、透過角は、スネルの法則：ｎ_{サファイア}ｓｉｎＴ＝ｎ_GaNｓｉｎＩによって決まる。光が臨界入射角よりも大きな角度で界面に入射すると、全ての入射光はＧａＮ内に反射される。ＧａＮを通って伝搬し、サファイアに入射する光に対しては、臨界入射角は約５０°である。反射光は、もし抽出されるものがあるとすれば、それが抽出される前に素子を通る多くの経路を取ることができる。これらの多くの経路は、ＩＩＩ族窒化物素子層の任意の層内において、接点での光学的損失、フリーキャリア吸収、及び中間帯吸収のために光の顕著な減衰をもたらす。

米国特許第６，０９１，０８５号

Ｊ・ハン他著「ＧａＮ有機金属化学蒸着時の形態進化に対するＨ2の影響」、応用物理学レター、７１（２１）、３１１４〜３１１６ページ、１９９７年

反射してフリップチップ素子内のＧａＮ層に戻る光の量を低減する一つの方法は、ＧａＮと基板との間の界面に散乱構造を含めることである。散乱構造は、臨界角よりも大きな角度で界面に衝突する光の量を小さくして、基板に入る光の量が大きくなるように、平滑な界面を妨害する。「改善された出力結合効率を有するＧａＮＬＥＤ」という名称の米国特許第６，０９１，０８５号では、ＧａＮ素子層を形成する前にサファイア基板を粗面化する。この粗面は、基板内に伝達する光の量を増加させる散乱構造である。基板は、研磨砂で表面に傷を付けるか、又は基板にフォトリソグラフィーでパターン化するなどによって、機械的に粗面化することができる。散乱構造として粗面化した基板表面を使用することには幾つかの欠点がある。機械的粗面化は、再生不能な基板表面を作り出す。基板表面は、基板の上に成長したＩＩＩ族窒化物素子層の品質に強い影響を与える可能性があるので、再生不能基板の使用は、素子間で輝度及び効率に許容できない変動を生じる恐れがある。更に、基板表面が粗すぎる場合には、基板上に発光素子として十分な品質のＩＩＩ族窒化物素子層が成長しないことがある。フォトリソグラフィーによるパターン化及びサファイアエッチングは費用がかさみ、ＩＩＩ族窒化物素子層の成長に適さない基板を生じる可能性もある。

本発明の実施形態によれば、発光素子は、基板、基板の上に重なるテクスチャ加工層、テクスチャ加工層の上に重なる少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層、及び、実質的に平面の発光領域を含む。いくつかの実施形態においては、テクスチャ加工層は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮである。テクスチャ加工層は、約０．０６ミクロンと約１０ミクロンの間の高さ及び横方向寸法を有する１つ又はそれ以上のアイランドを含むことができる。
テクスチャ加工層を組み込んだ素子は、幾つかの異なる方法によって形成することができる。第１の方法では、エピタキシアル層が堆積され、次にエッチングしてテクスチャ加工層を形成する。第２の方法では、マスクを堆積させ、マスクに開口部を生成するためにパターン化する。次に、マスクに形成した開口内にテクスチャ加工層が選択的に堆積される。第３の方法では、テクスチャ加工層は、三次元の成長に有利な条件下で堆積され、次に任意選択的に焼き鈍しされる。

ＧａＮとサファイアの間の界面に入射する光ビームを示す図である。 本発明の実施形態を組み込んだ発光素子を示す図である。 本発明の実施形態を組み込んだ発光素子を示す図である。 本発明の実施形態を組み込んだ発光素子を示す図である。 本発明の実施形態を組み込んだ発光素子を示す図である。 テクスチャ加工層を組み込んだ発光素子を製造する方法の一部分を示す図である。 製造の様々な段階の一段階におけるテクスチャ加工層を組み込んだ発光素子を示す図である。 製造の様々な段階の一段階におけるテクスチャ加工層を組み込んだ発光素子を示す図である。 製造の様々な段階の一段階におけるテクスチャ加工層を組み込んだ発光素子を示す図である。 テクスチャ加工層を組み込んだ発光素子を製造する方法の一部分を示す図である。 パッケージ化した発光素子の分解組立図である。

本発明の実施形態によれば、素子から光を散乱させる発光素子には、少なくとも１つのテクスチャ加工層が含まれる。以下で説明する実施形態は、ＩＩＩ族窒化物素子である。本発明の実施形態は、ＩＩＩ族リン化物、ＩＩＩ族ヒ化物、及び、ＩＩ−ＶＩ族材料又は他の適切な任意の材料システムから製造された発光素子に適用可能とすることができる。更に、以下で説明する実施形態は、一般的に可視スペクトルで発光するＧａＮベースのＩＩＩ族窒化物素子に関する。本発明の実施形態はまた、紫外線スペクトルで発光するＡｌＧａＮベースのＩＩＩ族窒化物素子にも応用可能である。

図２Ａは、本発明によるテクスチャ加工層の第１の実施形態を組み込んだ発光素子を示している。図２Ａに示されている実施形態では、テクスチャ加工層３７は、サファイアのような低屈折率材料の基板３２の上に重なっている。ｎ型領域３３が、テクスチャ加工層３７の上に重なる。ｎ型領域は、同一又は異なる組成、厚み、及びドーパント濃度の１つ又はそれ以上の層、例えば、ドープしていないＧａＮ層、接点として最適化されたｎ型層、及び活性領域内への電流注入に最適化されたｎ型層を含むことができる。ｎ型領域３３は、例えばＳｉでドープすることができる。活性領域３１は、ｎ型領域３３の上に形成される。活性領域３１は、例えば、障壁層によって分離された１つ又はそれ以上の量子井戸層（発光層）を含むことができる。ｐ型領域３４は、活性領域の上に形成される。ｐ型領域３４は、同一又は異なる組成、厚み、及びドーパント濃度の１つ又はそれ以上の層を含むことができる。ｐ型領域３４は、例えば、Ｍｇでドープすることができる。活性領域３１及びｐ型領域３４の一部分は、ｎ型領域３３の一部分を露出するために取り除かれる。ｎ接点１０１は、ｎ型領域３３の露出した部分に形成され、ｐ接点１０２は、ｐ型領域３４の残りの部分上に形成される。フリップチップ素子では、接点１０１及び１０２の一方又は両方は、反射性とすることができる。接点を通じて光が抽出される素子では、接点１０１及び１０２の全部又は一部分が透過性とすることができる。

テクスチャ加工層３７の組成及び構造は、素子から光を散乱させるように選択される。テクスチャ加工層３７は、光散乱を促進するために三次元構造を有している。対照的に、図２Ａの活性領域３１のような素子の他の層は、ほぼ平面であり、それらが顕著な三次元形態を含まない実質的に平滑な表面を有することを意味している。散乱をもたらすためには、λ_nをテクスチャ加工層３７を形成する材料内の光の波長として、テクスチャ加工層３７の三次元形態は、λ_n／４よりも大きな寸法を有する時に最適である。図２Ａに示している実施形態では、三次元形態はアイランドである。テクスチャ加工層３７のアイランドの高さと幅は、約０．０６ミクロンから約１０ミクロンの間とすることができ、通常は約０．０６ミクロンから１ミクロンの間である。アイランドの高さ及び幅は等しくなくてもよく、テクスチャ加工層３７のアイランドの全てが同一サイズである必要はない。それに加えて、図２Ａには上部が平坦なアイランドが示されているが、アイランドは、尖頭又は散乱を生じる他のいかなる形状であっても良い。

テクスチャ加工層３７の組成は、テクスチャ加工層３７の界面とテクスチャ加工層３７の上に重なる平面化層（図２Ａのｎ型領域３３）との間の屈折率に変化があるように選択される。一般的に、テクスチャ加工層３７は、その上に重なる層よりも低い屈折率を有しているが、テクスチャ加工層がその上に重なる層よりも高い屈折率を有する場合には、テクスチャ加工層３７は、やはり散乱をもたらすことができる。
テクスチャ加工層３７は、図２Ａから図２Ｃに示されているように活性領域３１のｎ型側か、又は図２Ｄに示されているように活性領域３１のｐ型側に配置されてもよい。一般的に、活性領域３１は平面である。

図２Ａに示されている実施形態では、テクスチャ加工層３７は、基板の屈折率と近い屈折率を有する光学的に透明な材料である。サファイア基板の場合、散乱層３７は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ層とすることができる。一般的に、Ａｌ組成が減少すると、屈折率が大きくなる。ＡｌＧａＮの屈折率は、ガリウムを殆ど又は全く含まない層における約２．０から、アルミニウムを殆ど又は全く含まない層における約２．４まで変化する。いくつかの実施形態においては、テクスチャ加工層３７は、アルミニウム組成が約５０％から１００％の間にあるＡｌＧａＮ層である。テクスチャ加工層３７は、Ｍｇのようなｐ型ドーパントか、又はＳｉのようなｎ型ドーパントでドープされてもよい。テクスチャ加工層３７にドーパントが存在することによって、テクスチャ加工層３７の上に作られた層の三次元構造を安定させ、歪みの緩和をもたらすことができる。テクスチャ加工層３７の上に成長した次の層は、構造体の残りの層を形成するための平面を提供する。図２Ａに示されている実施形態では、平坦化層は、ｎ型領域３３の一部であり、これは、テクスチャ加工層３７の形成後に成長表面を平坦化するのに加えて、平坦化層が素子における目的に役立っていることを意味している。他の実施形態では、平坦化層は、ｎ型領域３３、活性領域３１、及び、もし素子がテクスチャ加工層３７を含まない場合には含まれるであろうｐ型領域３４の各層とは別の、素子の付加的な層である。そのような実施形態では、平坦化層はドープされないか、又は、ｐ型又はｎ型ドーパントで軽くドープされるであろう。平坦化層は、一般的にテクスチャ加工層３７とは異なる屈折率を有し、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、又はＩｎＧａＮとすることができる。

図２Ｂは、テクスチャ加工層３７の上に実質的に共形に形成された付加的なテクスチャ加工層３８を有する構造を示している。テクスチャ加工層３７は、テクスチャ加工層３７の上に重なるＡｌＮ又はＡｌＧａＮテクスチャ加工層３８の成長のための核生成部位を形成する複数のＧａＮ種結晶とすることができる。テクスチャ加工層３７は、基板３２上に直接か、又は基板３２上に形成された下に重なる層（図示しない）上に成長することができる。テクスチャ加工層３８は、三次元成長に好都合な条件下で成長し、従って、テクスチャ加工層３８は、下に重なるテクスチャ加工層３７の形状を実質的に保持する。図２Ｂで示されている実施形態では、平坦化層３９は、ｎ型領域３３とは別の追加層である。平坦化層はまた、ｎ型領域３３の一部とすることもできる。テクスチャ加工層３８と平坦化層３９は、層３８及び３９の界面で散乱を生じさせるように異なる屈折率を有する。

図２Ｃは、追加層３５によって基板３２からテクスチャ加工層３７が分離されている構造を示している。追加層３５は、例えば、核生成層とすることができる。
図２Ｄは、テクスチャ加工層３７が活性領域３１のｐ型側に配置された構造を示している。テクスチャ加工層３７は、活性領域３１上に直接形成しても良いし、又は、ｐ型領域３４の一部分３４Ａ又はｐ型領域３４とは別の追加層によって活性領域３１から分離されても良い。図２Ｄに示されている構造の一例では、層３４Ａは、ｐ型ドープ処理したＡｌＧａＮ層、テクスチャ加工層３７は、ＡｌＧａＮ層、及び、平坦化層３９及びｐ型層２４Ｂは、ｐ型ＧａＮ層とすることができる。

図２Ａから図２Ｄで示している素子は、幾つかの技術により製造することができる。テクスチャ加工層を組み込んだ素子を製造する第１の方法は図３に示されている。段階２１では、任意選択的な核生成又は他のＩＩＩ族窒化物層を基板の上に成長させる。適切な核生成層は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＮ層を含む。段階２２では、後でテクスチャ加工層（一般的に、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ）を形成することになる結晶層を堆積させる。ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ層は、一般的に高温でエピタキシアル法によって堆積させる。例えば、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ層は、９００°から１２００℃の温度でＭＯＣＶＤによって堆積させることができる。

ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ層の一部分は、次に、段階２３でエッチングで取り除かれる。エッチャントガスは、結晶層のより小さくより安定性のない結晶を選択的にエッチングして取り除くように選択される。適切なエッチャントガスには、Ｈ₂、Ｎ₂、ＮＨ₃、ＨＣｌ、及びその混合物が含まれる。より大きく、より安定した結晶が残り、最終的な完全に処理された構造において最終的に光散乱要素として作用することになる材料３７の不連続なアイランドを形成する。

段階２４では、段階２３で形成したテクスチャ加工層の上に異なる屈折率を有するＩＩＩ族窒化物層を成長させて、素子の成長表面を平坦化する。散乱層のアイランド間の空隙を埋めて他の素子層を形成する平面を作り出すために、横方向の成長を促進する条件下で平坦化層を成長させる。例えば、平坦化層は、緩やかな成長を助けるために、高温（例えば、１０００℃を超える温度）で低流量の先駆ガスを使用して形成することができる。次にｎ型層、発光層、及びｐ型層のような他の素子層が、段階２５で平坦化層の平面の上に形成される。

テクスチャ加工層を組み込んだ素子を製造する第２の方法は、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示されている。この方法は、マスクを通してのテクスチャ加工層の成長を含む。図４Ａから図４Ｃは、成長過程の種々の段階における素子の断面を示している。図４Ａでは、パターン化したマスク層４２がサファイア基板３２の上に配置されている。マスク層４２は、例えば、スパッタリング、蒸発、又は化学蒸着によって堆積された二酸化珪素とすることができる。マスク層４２は、基板３２の一部分を露出するようにパターン化される。いくつかの実施形態においては、１つ又はそれ以上のバッファ層又は核生成層（図示しない）をマスク層４２と基板３２との間に配置することができる。

図４Ｂでは、テクスチャ加工層３７が、パターン化した層４２の上に成長する。マスク層４２は、テクスチャ加工層３７を形成する原子がマスク層４２上に選択的に堆積しないように選択される。その結果、テクスチャ加工層３７を形成する材料は、最初はマスク４２に形成された開口部にのみ堆積し、次にマスクを覆って上方及び横方向に成長を続け、平面層の代わりに材料のアイランドをもたらす。図４Ｃでは、テクスチャ加工層３７の上に平面層が形成されている。次に、平面層の上に残りの素子層が形成される。

散乱層を組み込んだ素子を形成する第３の方法は、図５に示されている。段階５１で、任意選択的な核生成層を基板の上に形成することができる。段階５２において、テクスチャ加工層を形成することになる材料（一般的に、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ）の層は、例えば、スパッタリング、反応成長、又は化学蒸着によって堆積される。いくつかの実施形態においては、段階５２で形成される材料は、三次元成長に有利な条件下で成長させられる。ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ材料の層は、次に、段階５３で材料が結晶性になるように焼き鈍しされる。段階５４では、大きく安定した粒子を取り巻く焼き鈍した層の一部分は、任意選択的に、Ｈ₂、Ｎ₂、ＮＨ₃、ＨＣｌ、及びそれらの混合物でエッチングして取り除かれ、テクスチャ加工層を形成する。段階５２における成長が三次元の成長に好都合な実施形態では、段階５３における焼き鈍し段階は、図２Ａから図２Ｄのテクスチャ加工層３７を形成するのに十分であり、従ってエッチングは不要である。図２Ｂに示す実施形態のようないくつかの実施形態では、段階５２、５３、及び５４で形成される層と実質的に共形の追加テクスチャ加工層が段階５５で堆積される。最後に、段階５６で平坦化層が堆積される。

いくつかの実施形態においては、高品質結晶層の三次元成長を引き起こす条件下でテクスチャ加工層３７が成長する。そのような実施形態では、散乱に適した構造を形成するのに、図３で説明したエッチングも、図５で説明した焼き鈍しも不要である。
三次元及び横方向に成長させる技術は、本明細書において引用により組み込まれる、Ｊ・ハン他著「ＧａＮ有機金属化学蒸着時の形態進化に対するＨ₂の影響」、応用物理学レター、７１（２１）、３１１４〜３１１６ページ（１９９７年、１１月２４日）において更に詳細に検討されている。

図６は、パッケージ化された発光素子の組立分解図である。ヒートシンク・スラグ１００は、挿入成形リードフレーム１０６の中に配置される。挿入成形リードフレーム１０６は、例えば、電気の通路を形成する金属フレームの周囲に成形された充填プラスチック材料である。スラグ１００は、任意選択の反射器カップ１０２を含むことができる。代替的に、スラグ１００は、反射器カップのない台座を形成することができる。発光素子ダイ１０４は、上述のどの素子であってもよいが、直接的に又は熱伝導性のサブマウント１０３を通じて間接的にスラグ１００に取り付けられる。光学レンズ１０８とすることができる覆いを追加してもよい。

本発明によれば、テクスチャ加工層を組み込んだ素子は、幾つかの利点を提供することができる。テクスチャ加工層が基板に隣接するか又は近くにある素子では、テクスチャ加工層は、低屈折率の基板と高屈折率の素子層との間の平面界面を砕いて壊すことができる。テクスチャ加工層のこの三次元形態は、光を基板の中に伝達させる角度で界面に当たる、より多くの光をもたらす。
当業者には、上述の説明及び添付の図面から、本発明に対する様々な変形が明らかになるであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

３１ 活性領域
３２ 基板
３３ ｎ型領域
３４ ｐ型領域
３７ テクスチャ加工層
１０１ ｎ接点
１０２ ｐ接点

Claims (9)

1. 基板上に半導体層を成長させ、
   前記半導体層のより小さくより安定性のない結晶を選択的にエッチングして取り除くように選択されたエッチャントガスで前記半導体層の一部分をエッチングして取り除き、より大きくより安定した結晶を残して、材料の不連続なアイランドを形成し、
   前記材料の不連続なアイランド上に異なる屈折率を有するIII族窒化物層を成長させ、
   実質的に平坦な発光領域を成長させる
   ことを特徴とする方法。
2. 前記エッチャントは、Ｈ₂，Ｎ₂，ＮＨ₃，ＨＣｌ及びその混合物から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記材料の不連続なアイランドの屈折率は、前記III族窒化物層の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記材料の不連続なアイランドは、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮであることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. テクスチャ加工半導体層を形成する工程を有し、この形成工程は、
   基板上に材料層を堆積させる工程と、
   前記材料層をアニーリングして結晶性材料を形成する工程と、を含み、
   前記結晶性材料上に、異なる屈折率を有するIII族窒化物層を成長させる工程と、
   実質的に平坦な発光領域を成長させる工程と、を含む
   ことを特徴とする方法。
6. 基板上に材料層を堆積させる工程は、三次元の成長に好都合な条件下で材料層を成長させる工程を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記結晶性材料の大きく安定した粒子を取り囲む前記結晶性材料の一部分をエッチングして取り除く工程を更に含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 前記テクスチャ加工半導体層上に共形層を堆積させる工程を更に含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 材料層を堆積する工程は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮを堆積させる工程を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。

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