JP5259292B2 - 発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード、特に、窒化ガリウム系発光ダイオードに関し、より詳しくは、電極パッド付近の改善を通じて、電流拡散効率と光の抽出効率をさらに向上させた発光ダイオードに関する。

発光ダイオードは、電流印加によるＰ‐Ｎ半導体接合（P-N junction）により、電子と正孔が再結合して光を発する光電変換素子である。一例として、基板上に、ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層が順次形成されたＧａＮ系発光ダイオードが公知である。ｐ型半導体層上には、透明電極層が形成され、その透明電極層上にｐ型の電極パッドが形成される。また、活性層及びその上のｐ型半導体層の一部が除去され、ｎ型半導体層の一部が上側に露出され得るが、この場合、露出したｎ型半導体層の上部領域には、ｎ型の電極パッドが形成される。

このような発光ダイオードにおいて、透明電極層は、その上に形成される電極パッドと一緒に電極としての機能を果たす部分であると共に、光の放出が主に行われる部分である。したがって、透明電極層は、優れた電気的特性と光放出を阻害しない特性が要求される。透明電極層として、Ｎｉ／Ａｕ層とＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）層が公知であるが、Ｎｉ／Ａｕ層は、優れた電気的特性を有するのに対して、可視光線に対する透過性が低いという短所があった。また、ＩＴＯ層は、可視光線の透過率が９０％以上であり、光の透過性に優れるという長所があるが、電気的な特性が劣るという問題点があった。

従来の発光ダイオードの一例として、透明電極層（特に、ＩＴＯ層）の一部をエッチングして開口部を形成し、その開口部を介して、ｐ型の電極パッドがｐ型半導体層と接触するようにしたものがある。このような従来の発光ダイオードは、オーム接触のために、高濃度のｐ型不純物がドープされたｐ型トンネル層（ｐ＋＋）をｐ型半導体層上に形成し、したがって、ｐ型電極パッドは、ｐ型トンネル層と接触する。

上述した従来の発光ダイオードは、ｐ型電極パッドの真下に電流の流れが偏り、透明電極層上で電流が広く拡散しないという問題点があった。これは、ｐ型電極パッドとｐ型トンネル層が直接接触する構造に起因し、活性層での電子と正孔の再結合率を減少させ、発光効率を阻害する原因となり得る。また、従来の発光ダイオードは、ｐ型電極パッドによる光の吸収、及びそれによる光損失が多いという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、ｐ型電極パッドの下方に、光の吸収、及びそれによる光損失を減らし、自身の周辺に光を拡散させることができるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を備える発光ダイオードを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一側面による発光ダイオードは、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、及び透明電極層を備える。前記発光ダイオードは、前記ｐ型半導体層と前記透明電極層との間に介在されるトンネル層と、前記トンネル層又はその下方のｐ型半導体層を上側に露出させるように、前記透明電極層に形成された開口部と、前記開口部内に形成されるＤＢＲと、前記開口部内のＤＢＲを覆うように、前記透明電極層上に形成される電極パッドと、を備える。この際、前記発光ダイオードは、窒化ガリウム系であることが好ましい。

好ましくは、前記電極パッドの側面部は、前記透明電極層の前記開口部の内側面と当接し、前記電極パッドの底部は、前記ＤＢＲと当接する。
好ましくは、前記トンネル層は、ｎ型不純物が高濃度でドープされたｎ型トンネル層（ｎ＋＋）である。

好ましくは、前記透明電極層は、ＩＴＯ層である。
好ましくは、前記発光ダイオードは、前記活性層の下端面に形成される下部ＤＢＲをさらに備える。

本発明によると、ＤＢＲが電極パッドに向かう光を高い反射効率で反射させることにより、電極パッドの光吸収による光損失を最小化し、これにより、光の抽出効率を高める効果がある。また、本発明は、電極パッドからｐ型半導体層またはその上のトンネル層に電流が直接流れることを遮断し、透明電極層での電流拡散効率を高め、これにより、発光ダイオードの発光効率を向上させることができる。

以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な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発光ダイオードを示す断面図であり、図２は、本発明の一実施例によるＤＢＲの構造を示す拡大断面図である。
図１を参照すると、本実施例の発光ダイオード１は、基板１００、前記基板１００上に形成されるｎ型半導体層２２０、活性層２４０、及びｐ型半導体層２６０を備える。前記活性層２４０は、前記ｎ型半導体層２２０と前記ｐ型半導体層２６０との間に介在され、前記ｐ型半導体層２６０の上面には、透明電極層３２０が形成される。また、前記活性層２４０と前記ｐ型半導体層２６０の一部が除去され、前記ｎ型半導体層２２０の一部が上側に露出され得る。前記透明電極層３２０の上面には、ｐ型電極パッド３４０が形成され、前記ｎ型半導体層２２０の上面には、ｎ型電極パッド４４０が形成され得る。

基板１００は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板であり、サファイア基板に比べて熱伝導性が大きいＳｉＣ基板であってもよい。前記基板１００上には、前記ｎ型半導体層２２０との間に格子不整合を緩和するためのバッファ層２１０が形成され得る。前記基板１００上に形成される半導体層は、ＧａＮ系であることが好ましく、前記バッファ層２１０は、ＡｌＮ、ＧａＮであってもよい。

前記活性層２４０は、前記ｎ型半導体層２２０の一部領域上に限定的に形成され、前記活性層２４０上には、ｐ型半導体層２６０が形成される。したがって、前記ｎ型半導体層２２０の上面の一部領域は、活性層２４０と当接し、上面の残りの一部領域は、上述したｐ型半導体層２６０及び活性層２４０の部分的な除去により、上側に露出される。前記ｐ型半導体層２６０の上側の透明電極層３２０としては、可視光線の透過率が良好なインジウムスズ酸化物からなるＩＴＯ透明電極層が用いられる。

前記ｎ型半導体層２２０は、ｎ型Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で形成されてもよく、ｎ型クラッド層を含んでもよい。また、前記ｐ型半導体層２６０は、ｐ型Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で形成されてもよく、ｐ型クラッド層を含んでもよい。前記ｎ型半導体層２２０は、シリコン（Ｓｉ）をドープして形成することができ、ｐ型半導体層２６０は、亜鉛（Ｚｎ）またはマグネシウム（Ｍｇ）をドープして形成することができる。

また、活性層２４０は、電子及び正孔が再結合する領域であり、ＩｎＧａＮを含んでもよい。前記活性層２４０をなす物質の種類に応じて、抽出される光の波長が決定される。前記活性層２４０は、量子井戸層と障壁層が繰り返して形成された多層膜であってもよい。前記障壁層と井戸層は、一般式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される２元乃至４元化合物半導体層であってもよい。

本発明の好適な実施例により、ＩＴＯ透明電極層３２０とその下方のｐ型半導体層２６０との間には、トンネル層３１０が形成される。前記トンネル層３１０は、ＩＴＯ透明電極層３２０とｐ型半導体層２６０との間にオーム接触が形成されるようにする。この際、トンネル層３１０は、ｎ型不純物が高濃度にドープされたｎ＋＋トンネル層からなる。本発明の実施例では、前記トンネル層３１０の物質として、ｎ＋＋Ｉｎ_１−ｘＡｌ_１−ｙＧａ_１−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を用いる。

また、前記ＩＴＯ透明電極層３２０には、前記トンネル層３１０の一部を上側に露出させる開口部３４２が形成される。前記開口部３４２は、前記ＩＴＯ透明電極層３２０の一部分をエッチングすることにより形成される。前記エッチングのために、開口部３４２が形成される位置を除いた残りの透明電極層３２０を、例えば、ＰＲ（フォトレジスト）等のマスク材料で隠した後、その開口部３４２に相応する部分を除去するエッチング工程が行われ、そのエッチング工程は、ウェットまたはドライエッチングであってもよい。本発明の好適な実施例により、前記開口部３４２が、前記トンネル層３１０の一部を露出させるが、前記エッチングによる前記開口部３４２の形成により、前記トンネル層３１０の下のｐ型半導体層２６０が、前記開口部３４２により上側に露出されることも考慮され得る。

また、前記開口部３４２内には、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）３３０が所定の高さで形成される。前記ＤＢＲ３３０は、前記トンネル層３１０の上面において、前記開口部３４２を所定の高さで満たしながら形成されたものである。前記ＤＢＲ３３０は、その底面が前記トンネル層３１０の上面に当接し、その上面は、ＩＴＯ透明電極層３２０上に形成されたｐ型電極パッド３４０と当接する。前記電極パッド３４０は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタニウム（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の金属材質または炭素ナノチューブが用いられてもよい。

このような電極パッド３４０は、前記開口部３４２の内部において、自身の底面が前記ＤＢＲ３３０の上面と当接し、前記開口部３４２の内側面では、前記ＩＴＯ透明電極層３２０と当接する。さらに、前記電極パッド３４０は、前記開口部３４２の外部でも、前記ＩＴＯ透明電極層３２０と当接している。

前記ＤＢＲ３３０は、前記電極パッド３４０と前記トンネル層３１０との間で、その電極パッド３４０からトンネル層３１０に直接電流が流れることを遮断し、ＩＴＯ透明電極層３２０において広い電流拡散を可能にする。また、前記ＤＢＲ３３０は、電極パッド３４０をなす金属よりも光反射率が遥かに大きな構造を有し、電極パッド３４０による光吸収及びそれによる光の損失を最小化する。電極パッド３４０の下方に電流拡散機能を付与した発光ダイオードは、本出願人により登録された特許登録第１０‐０７２１５１５号に開示されており、この文献は、参照として本明細書の一部として併合される。

λが光の波長であり、ｎが媒質の屈折率であり、ｍを奇数とするとき、前記ＤＢＲ３３０は、ｍλ／４ｎの厚さで交互に積層し、特定の波長帯（λ）の光において、９５％以上の反射率が得られる半導体積層構造からなる。前記ＤＢＲ３３０は、発振波長よりもバンドギャップエネルギーが大きく、光の吸収が行われ難く、ＤＢＲ３３０の層（すなわち、媒質）間の屈折率を大きくすることにより、反射率をより大きくすることができる。

図２を参照すると、前記ＤＢＲ３３０は、低屈折率層３３０ａと高屈折率層３３０ｂの積層構造が連続的に繰り返して積層された構造からなる。この際、前記低屈折率層３３０ａと高屈折率層３３０ｂは、基準波長のλ／４の厚さを有する。前記低屈折率層３３０ａと高屈折率層３３０ｂの物質としては、様々なものが考えられるが、好ましくは、低屈折率層３３０ａとして、屈折率１．４のＳｉＯ_２または屈折率１．６のＡｌ_２Ｏ_３が用いられ、高屈折率層３３０ｂとして、屈折率２以上のＳｉ_３Ｎ_４またはＴｉＯ_２を用い、または屈折率３以上のＳｉ‐Ｈが用いられる。

図３は、本発明の他の実施例による発光ダイオードを示す図である。図３を参照すると、本実施例の発光ダイオード１は、開口部３４２内において、電極パッド３４０とトンネル層３１０との間に形成されたＤＢＲ（以下、「上部ＤＢＲ」という。）３３０を有する一方、活性層２４０の下端面に形成されたＤＢＲ（以下、「下部ＤＢＲ」という。）２３０をさらに有する。前記下部ＤＢＲ２３０の構造は、図２を参照して説明した上部ＤＢＲ３３０の構造と同一または類似であるので、その具体的な構造については、説明を省略する。

図３に示した発光ダイオード１において、活性層２４０から発生した矢印Ａで表された光と、上部ＤＢＲ３３０により反射された矢印Ｂで表された光が、前記下部ＤＢＲ２３０により反射されて上側に向かう。この際、下部ＤＢＲ２３０は、自身の高い反射率により、発光ダイオードの光抽出効率を高め、また、光が基板の下方の反射物質により反射された既存の発光ダイオードに比べて、発光ダイオード内において、光の移動距離を減らすことができ、これによっても、発光ダイオードの光抽出効率を向上させることができる。

図４は、本発明の他の実施例による発光ダイオード１を示す図であり、透明電極層３２０に開口部３４２が形成され、前記開口部３４２内に電極パッド３４０が形成されるが、前記電極パッド３４０の底面は、ｐ型半導体層２６０上に形成されたまま、電極パッド３４０とオーム接触が可能な層３３０’と接している。前記層３３０’は、ｎ型不純物が高濃度にドープされたｎ＋＋層であり、または、アンドープＩｎＧａＮであってもよい。この際、上述した実施例において、開口部３４２内に位置するものと説明されたＤＢＲは、省略されてもよい。

本発明の一実施例による発光ダイオードを示す断面図である。 図１に示した発光ダイオードのＤＢＲ構造を説明するための拡大断面図である。 本発明の他の実施例による発光ダイオードを示す断面図である。 本発明のまた他の実施例による発光ダイオードを示す断面図である。

符号の説明

１ 発光ダイオード
１００ 基板
２１０ バッファ層
２２０ ｎ型半導体層
２４０ 活性層
２６０ ｐ型半導体層
３１０ トンネル層
３２０ 透明電極層
３３０ ＤＢＲ
３４０ ｐ型電極パッド
３４２ 開口部
４４０ ｎ型電極パッド

Claims (14)

1. ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、及び透明電極層が基板上に形成された発光ダイオードであって、
   前記ｐ型半導体層と前記透明電極層との間に介在されるトンネル層と、
   前記トンネル層を上側に露出させるように、前記透明電極層に形成された開口部と、
   前記開口部内の前記トンネル層上に形成されるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）と、
   前記開口部内のＤＢＲを覆うように、前記透明電極層上に形成される電極パッドと、
   を備えることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記電極パッドの側面部は、前記透明電極層の前記開口部の内側面と当接し、前記電極パッドの底部は、前記ＤＢＲと当接することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記トンネル層は、ｎ型不純物が高濃度でドープされたｎ型トンネル層（ｎ＋＋）であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 前記透明電極層は、ＩＴＯ層であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
5. 前記活性層の下端面に形成される下部ＤＢＲをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
6. 前記発光ダイオードは、窒化ガリウム系であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
7. 前記ＤＢＲは、低屈折率層と高屈折率層とが繰り返して積層されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
8. 前記低屈折率層は、ＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
9. 前記高屈折率層は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２またはＳｉ−Ｈを含むことを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
10. 前記ＤＢＲは、前記電極パッドよりも高い屈折率の高屈折率層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
11. 前記低屈折率層のいずれか一層が前記ｐ型半導体層と当接することを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
12. 前記ＤＢＲは、低屈折率層と高屈折率層とが複数交互に積層しており、前記低屈折率層は、ＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３を含み、前記高屈折率層は、Ｓｉ_３Ｎ_４またはＴｉＯ_２を含み、
    ｍを奇数とし、λを波長とし、ｎ_ｌを前記低屈折率層の屈折率とし、ｎ_ｈを前記高屈折率層の屈折率とし、第１の厚さをｍλ／４ｎ_ｌにより表し、第２の厚さをｍλ／４ｎ_ｈにより表したとき、前記低屈折率層は前記第１の厚さを有し、前記高屈折率層は前記第２の厚さを有し、前記ＤＢＲは波長λの光について少なくとも９５％の反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
13. 前記波長λは、前記活性層が発生する光の波長に対応していることを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード。
14. ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、及び透明電極層が基板上に形成された発光ダイオードであって、
    前記透明電極層に形成された開口部と、
    前記開口部内に一部が満たされるように形成される電極パッドと、
    前記ｐ型半導体層上に形成されたまま、前記開口部内において前記電極パッドと接触するｎ＋＋またはアンドープ層と、
    を備えることを特徴とする発光ダイオード。

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