JP5368088B2 - 発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードおよびその製造方法に関し、より詳しくは、熱伝導性基板を有する発光ダイオードおよびその製造方法に関する。

発光ダイオードは、ｎ型半導体とｐ型半導体が互いに接合された構造を有する光電変換半導体素子であり、電子と正孔の再結合により光を発散する。このような発光ダイオードは、ディスプレイ素子およびバックライトとして広く用いられている。また、発光ダイオードは、既存の電球または蛍光灯に比べ、消耗電力が小さく、寿命が長く、白熱電球および蛍光灯を代えて、一般の照明用途としてその使用領域を広げている。

発光ダイオードは、交流電源下で、電流の方向によりオン／オフを繰り返す。したがって、発光ダイオードを交流電源に直接連結して使用する場合、発光ダイオードが連続的に光を放出せず、逆方向電流により破損しやすいという問題点があった。

このような発光ダイオードの問題点を解決して、高電圧交流電源に直接連結して使用可能な発光ダイオードが、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、サカイ等により開示されたことがある。

前記国際公開番号ＷＯ２００４／０２３５６８（Ａ１）号によると、ＬＥＤがサファイア基板のような絶縁性基板上に二次元的に直列連結され、ＬＥＤアレイを形成する。このような二つのＬＥＤアレイが、前記サファイア基板上にて逆並列で連結される。その結果、交流電源により駆動される単一チップ発光素子が提供される。

しかしながら、サファイア基板は、熱伝導率が相対的に低く、熱放出が円滑でない。このような熱放出の限界は、前記発光装置の最大の光出力の限界につながる。したがって、高電圧交流電源の下で最大の光出力を増加させるために、熱放出特性を向上させることが望まれる。

また、このような発光素子は、ＬＥＤアレイが交流電源下で交互に動作するので、発光セルが同時に動作する場合に比べ、光出力が相当制限的である。したがって、最大の光出力を増加させるために、各発光セルの光抽出効率を改善させる必要がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、交流電源下で駆動可能であり、熱放出特性が向上した発光ダイオード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、光抽出効率が向上した発光ダイオード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、熱放出特性および／または光抽出効率が向上した発光ダイオードを製造する方法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、熱伝導性基板を有する発光ダイオードおよびその製造方法を提供する。本発明の一態様による前記発光ダイオードは、熱伝導性絶縁基板を有する。前記熱伝導性絶縁基板上に複数の金属パターンが互いに離隔して位置する。前記各金属パターンの一部の領域上に発光セルが位置する。前記発光セルは、それぞれｐ型半導体層、活性層、およびｎ型半導体層を有する。金属配線が、前記発光セルの上部面と、それに隣接した金属パターンとを電気的に連結する。発光セルが熱伝導性絶縁基板上で動作するので、熱放出特性を改善することができる。

ここで、前記熱伝導性絶縁基板は、サファイア基板に比べて熱伝導率が大きい絶縁基板を意味する。また、絶縁基板は、半絶縁ＳｉＣのような半絶縁基板を含む。「半絶縁」は、一般に、比抵抗が常温で略１０^５Ω・ｃｍ以上である高抵抗物質を示す。

前記活性層は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に介在され、前記発光セルのｐ型半導体層とｎ型半導体層は、互いに位置を入れ替えてもよい。好ましくは、前記各ｐ型半導体層が前記金属パターンに接触され、前記各ｎ型半導体層の表面が前記発光セルの上部面となる。前記各ｎ型半導体層の表面は、粗く形成されてもよい。前記ｎ型半導体層の表面が粗く形成されることにより、全反射による光反射を減少させ、光抽出効率を増加させることができる。

前記各金属パターンは、接合された少なくとも二つの金属層を有してもよい。例えば、前記金属層は、銀（Ａｇ）のような反射金属層と、金（Ａｕ）のような熱伝導性金属層を有してもよく、Ａｕと錫（Ｓｎ）の合金を有してもよい。反射金属層は、前記発光セルから発生した光を発光セルの上部面の方向に反射させ、光出力を向上させる。

本発明の他の態様による発光ダイオードの製造方法は、第１の基板上に、バッファ層、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を有する半導体層、および前記半導体層上に第１の金属層を形成することを含む。また、前記第１の基板と別個である熱伝導性、絶縁性の第２の基板上に第２の金属層が形成される。前記第１の金属層と前記第２の金属層が互いに向かい合うように、前記第１の基板の第１の金属層と、前記第２の基板の第２の金属層とが接合される。その後、前記第１の基板を前記半導体層から分離させ、前記半導体層および前記金属層をパターニングし、互いに離隔した金属パターンおよび前記各金属パターンの一部の領域上に位置する発光セルを形成する。次いで、前記発光セルの上部面と、それに隣接した金属パターンとを、電気的に連結する金属配線が形成される。これにより、熱伝導性基板を有し、熱放出特性が向上した発光ダイオードを製造することができる。

前記活性層は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に介在され、前記ｐ型半導体層とｎ型半導体層は、互いに位置を入れ替えてもよい。好ましくは、前記ｐ型半導体層が前記１の金属層にオーム接触される。これに加えて、前記第１の基板を分離させた後、前記バッファ層を除去し、ｎ型半導体層を露出させることができる。
前記露出したｎ型半導体層の表面は、光抽出効率を改善させるために粗く形成されてもよい。

例えば、前記ｎ型半導体層の表面を粗くすることは、光電気化学（ＰＥＣ）エッチング技術を用いて行うことができる。これとは異なり、前記ｎ型半導体層の表面を粗く形成することは、前記露出したｎ型半導体層上に金属層を形成することを含んでもよい。前記金属層を熱処理して金属島を形成し、前記金属島をエッチングマスクとして、前記ｎ型半導体層の一部をエッチングすることができる。これにより、粗表面を有するｎ型半導体層が形成される。

本発明によると、交流電源下で駆動可能であり、熱放出特性が向上した発光ダイオードを提供することができ、これに加えて、光抽出効率が向上した発光ダイオードを提供することができる。また、交流電源下で駆動可能であり、熱放出特性および／または光抽出効率が向上した発光ダイオードを製造する方法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発光ダイオードを説明するための断面図である。
図１を参照すると、熱伝導性絶縁基板５１上に複数の金属パターン４０が互いに離隔して位置する。前記熱伝導性絶縁基板５１は、サファイア基板に比べて、熱伝導率が大きい基板であれば、制限がない。前記熱伝導性絶縁基板５１は、上部面に絶縁層が形成された導電型単結晶基板であってもよい。

前記金属パターン４０のそれぞれは、接合された少なくとも二つの層、例えば、第１の金属層３１ａと第２の金属層５３ａを有する。また、前記第１の金属層３１ａは、反射金属層および熱伝導性金属層を有してもよい。前記反射金属層は、例えば、Ａｇであってもよく、前記熱伝導性金属層は、例えば、ＡｕまたはＡｕとＳｎの合金であってもよい。また、前記第２の金属層は、例えば、ＡｕまたはＡｕとＳｎの合金であってもよい。

前記各金属パターンの一部の領域上に発光セル３０が位置する。前記発光セル３０は、ｐ型半導体層２９ａ、活性層２７ａ、およびｎ型半導体層２５ａを有する。前記活性層２７ａは、ｐ型半導体層２９ａとｎ型半導体層２５ａとの間に介在され、ｐ型半導体層２９ａとｎ型半導体層２５ａは、互いに位置を入れ替えてもよい。

ｎ型半導体層２５ａ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型クラッド層を有してもよい。また、ｐ型半導体層２９ａ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型クラッド層を有してもよい。前記ｎ型半導体層２５ａは、シリコン（Ｓｉ）をドープして形成してもよく、ｐ型半導体層２９ａは、亜鉛（Ｚｎ）またはマグネシウム（Ｍｇ）をドープして形成してもよい。

活性層２７ａは、電子および正孔が再結合される領域であり、ＩｎＧａＮを含んでなる。前記活性層２７ａをなす物質の種類により、発光セルから放出される発光波長が決定される。前記活性層２７ａ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）で表れる２元乃至４元化合物半導体層であってもよい。

一般に、基板５１と発光セル３０との間にバッファ層が介在されるが、本発明による実施例においてはバッファ層が介在されず、金属パターン３１、５３が介在される。

一方、金属配線５７が、ｎ型半導体層２５ａと、それに隣接した金属パターン４０とを電気的に連結する。このため、前記各ｎ型半導体層２５ａ上に電極パッド５５が形成されてもよい。前記電極パッド５５は、前記ｎ型半導体層２５ａとオーム接触して接触抵抗を低くする。したがって、前記金属パターン５７は、図示のように、前記電極パッド５５と第１の金属層３１ａを連結し、発光セル３０を連結する。前記金属配線５７により発光セル３０は、直列連結されたアレイを形成する。前記基板５１上に二つ以上の直列連結された発光セルのアレイが形成されてもよく、このアレイが互いに逆並列で連結されて、交流電源により駆動され得る。

図１０は、本発明の他の実施例による発光ダイオードを説明するための断面図である。ここで、図１の符号と同一の符号は、同一の構成要素を示す。したがって、図１に示した実施例と異なる点について、具体的に説明する。

図１０を参照すると、図１のｎ型半導体層２５ａとは異なり、本実施例によるｎ型半導体層６５ａの上部面は、表面が粗く形成されている。これにより、発光セル７０は、粗表面の上部面を有し、その結果、上部面における屈折率差による全反射を減少させ、光抽出効率が改善される。

前記粗表面は、前記ｎ型半導体層６５ａの全面に形成されてもよく、粗表面の一部分に電極パッド７５が形成されてもよい。これとは異なり、前記粗表面は、ｎ型半導体層６５ａの一部の領域を除いた領域に選択的に形成されてもよく、前記一部の領域に電極パッド７５が形成されてもよい。金属配線７７が、前記電極パッド７５と金属パターン４０を連結して直列連結された発光セルのアレイを形成する。

本実施例によると、ｎ型半導体層２５ａの表面を粗く形成し、発光セル７０から上部に放出される光の抽出効率を改善させることができる。
以下、本実施例による発光ダイオードの製造方法について詳細に説明する。
図２乃至図６は、本発明の一実施例による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。

図２を参照すると、第１の基板２１上に、バッファ層２３、ｎ型半導体層２５、活性層２７、およびｐ型半導体層２９を有する半導体層を形成し、前記半導体層上に第１の金属層３１を形成する。
前記第１の基板２１は、サファイア基板のように、透光性であり、前記半導体層に格子整合する基板が有利である。

前記バッファ層２３および半導体層２５、２７、２９は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、または ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等を用いて形成され得る。また、前記半導体層２５、２７、２９は、同一のプロセスチェンバにおいて連続的に形成され得る。

前記バッファ層２３は、前記第１の基板２１と半導体層２５、２７、２９の格子不整合を緩和することができれば特に制限されず、例えば、非ドープのＧａＮで形成されてもよい。

前記第１の金属層３１は、前記ｐ型半導体層にオーム接触する金属で形成される。また、前記第１の金属層３１は、反射金属層と熱伝導性金属層を有してもよい。前記反射金属層は、反射率が高い金属層であり、特に制限されず、例えば、Ａｇで形成されてもよい。また、前記熱伝導性金属層は、熱伝導率が高い金属層であり、特に制限されず、ＡｕまたはＡｕとＳｎの積層であってもよい。

前記第１の基板２１と別個の第２の基板５１の上に第２の金属層５３が形成される。前記第２の基板５１は、熱伝導性、絶縁性の基板であり、サファイア基板に比べて熱伝導率が大きい基板である。

前記第２の金属層５３は、前記第１金属層３１との金属接合のためのものであり、特に制限されず、ＡｕまたはＡｕとＳｎの積層であってもよい。

図３を参照すると、前記第１の金属層３１と前記第２の金属層５３が互いに向かい合うように、前記金属層３１、５３を接合させる。このような接合は、一定の圧力および／または熱を加えて容易に行われ得る。

その後、前記第１の基板２１の方からレーザを照射する。前記レーザは、例えば、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）レーザであってもよい。第１の基板２１がサファイア基板のように透光性基板であるので、前記レーザは、第１の基板２１を通過し、バッファ層２３により吸収される。これにより、前記バッファ層２３と前記第１の基板２１の界面において、前記吸収された放射エネルギーにより、前記バッファ層２３が分解され、前記基板２１が前記半導体層から分離される。

図４を参照すると、前記基板２１が分離された後、残存するバッファ層２３を除去し、前記ｎ型半導体層２５の表面を露出させる。前記バッファ層２３は、エッチング技術または研磨技術を用いて除去され得る。

図５を参照すると、フォトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いて、前記半導体層２５、２７、２９および前記金属層３１、５３をパターニングし、互いに離隔した金属パターン４０および前記各金属パターンの一部の領域上に位置する発光セル３０を形成する。

前記発光セル３０は、パターニングされたｐ型半導体層２９ａ、活性層２７ａ、およびｎ型半導体層２５ａを有する。これらの半導体層２５ａ、２７ａ、２９ａは、同一の形状にパターニングされ得る。

一方、前記第２の基板５１が絶縁性基板であるので、前記金属パターン４０が互いに離隔して形成されることにより、前記発光セル３０は、電気的に絶縁される。

図６を参照すると、前記発光セル３０の上部面と、それに隣接した金属パターン４０とを電気的に連結する金属配線５７が形成される。前記金属配線５７は、前記発光セル３０を連結して直列連結された発光セルのアレイを形成する。このようなアレイは、二つ以上形成されてもよく、これらのアレイが逆並列で連結されて、交流電源下で駆動され得る発光ダイオードが提供される。

一方、前記金属配線を形成する前、前記ｎ型半導体層２５ａ上に電極パッド５５が形成されてもよい。前記電極パッド５５は、ｎ型半導体層２５ａにオーム接触される。前記金属配線５７は、前記電極パッド５５と金属パターン４０を連結する。

本実施例によると、熱伝導性基板上に発光セルを有し、交流電源下で駆動可能であり、熱放出特性が向上した発光ダイオードが提供される。一方、金属パターン４０が形成されることにより、ｐ型半導体層２９ａ上に別途の電極パッドを形成する工程は、省略される。

一方、本実施例において、前記ｐ型半導体層２９と前記ｎ型半導体層２５は、逆順で形成されてもよい。この場合、前記バッファ層２３を除去した後、前記ｐ型半導体層２９上に透明電極が形成され得る。

図７乃至図１０は、本発明の他の実施例による発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。
図７を参照すると、本実施例の発光ダイオードの製造方法は、図２乃至図４を参照して説明したものと同一の工程を経る。これにより、第２の基板５１上に、少なくとも二つの金属層３１、５３が接合されて位置し、前記金属層３１上にｐ型半導体層２９、活性層２７、およびｎ型半導体層２５を有する半導体層が位置する。

本実施例において、前記ｐ型半導体層２９は、前記金属層３１にオーム接触され、前記ｎ型半導体層２５の表面が露出される。

図８を参照すると、前記露出したｎ型半導体層２５の表面を粗くして、粗表面を有するｎ型半導体層６５が形成される。前記ｎ型半導体層の表面を粗くすることは、例えば、光電気化学（ＰＥＣ）エッチング技術を用いて行われ得る。ＰＥＣエッチング技術でｎ型半導体層の表面を粗くすることは、２００４年２月９日に公開された論文「Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＧａＮ−ｂａｓｅｄ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ ｖｉａ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｏｕｇｈｅｎｉｎｇ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ８４， Ｎｏ． ６， ｐｐ８５５−８５７）に開示されている。この論文によると、ＫＯＨ溶液およびＸｅランプを用いたＰＥＣエッチング技術を用いて、ｎ型半導体層の表面を粗くすることができ、これにより、光抽出効率が向上する。

これとは異なり、前記ｎ型半導体層２５の表面を粗くすることは、ドライエッチングを用いて行われ得る。すなわち、前記ｎ型半導体層２５上に金属層を形成する。次いで、前記金属層に熱を加え、前記金属層を金属島に形成する。その後、前記金属島をエッチングマスクとして、前記ｎ型半導体層２５をエッチングし、粗表面を有するｎ型半導体層６５を形成する。残留する金属島は、ウェットエッチング等を用いて除去される。

一方、前記工程を行う間、前記ｎ型半導体層２５の一部の領域上にマスクを用いて、平らな部分を形成することができる。

図９を参照すると、図５を参照して説明したように、フォトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いて、前記半導体層６５、２７、２９および前記金属層３１、５３をパターニングし、互いに離隔した金属パターン４０および前記各金属パターンの一部の領域上に位置する発光セル７０を形成する。

前記発光セル７０は、パターニングされたｐ型半導体層２９ａ、活性層２７ａ、およびｎ型半導体層６５ａを有する。これらの半導体層６５ａ、２７ａ、２９ａは、同一の形状にパターニングされ得る。

図１０を参照すると、図６を参照して説明したように、前記発光セル７０の上部面と、それに隣接した金属パターン４０とを電気的に連結する金属配線７７が形成される。また、電極パッド７５が形成され得る。前記電極パッド７５は、ｎ型半導体層６５ａの前記平らな領域上に形成され得る。ｎ型半導体層６５ａ上に平らな領域が形成されない場合、前記電極パッド７５は、ｎ型半導体層６５ａの粗表面上に形成される。

本実施例によると、発光セル７０の上部面、すなわち、ｎ型半導体層の表面を粗く形成し、光抽出効率を改善した発光ダイオードを提供することができる。

本発明の一実施例によ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発光ダイオードを製造する方法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発光ダイオードを製造する方法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発光ダイオードを製造する方法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発光ダイオードを製造する方法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発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施例による発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施例による発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施例による発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施例による発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。

符号の説明

２５ａ ｎ型半導体層
２７ａ 活性層
２９ａ ｐ型半導体層
３０ 発光セル
３１、４０、５３ 金属パターン
３１ａ 第１の金属層
５１ 熱伝導性絶縁基板
５３ａ 第2の金属層
５５ 電極パッド
５７ 金属配線

Claims (4)

1. 第１の基板上に、バッファ層、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を有する半導体層、および前記ｐ型半導体層上に第１の金属層を形成し、
   熱伝導性、絶縁性であり、比抵抗が常温で略１０^５Ω・ｃｍ以上である第２の基板上に第２の金属層を形成し、
   前記第１の金属層と前記第２の金属層が互いに向かい合うように、前記金属層を接合させ、
   前記第１の基板を前記ｎ型半導体層から分離させ、
   前記ｎ型半導体層、前記活性層、前記ｐ型半導体層、前記第1の金属層および前記第２の金属層をパターニングし、互いに離隔した金属パターンおよび前記各金属パターンの一部の領域上に位置する発光セルを形成し、
   露出した前記前記ｎ型半導体層の表面を光電気化学（ＰＥＣ）エッチングにより粗く形成し、
   前記発光セルの上部面と、それに隣接した金属パターンとを、電気的に連結する金属配線を形成することを含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
2. 前記ｐ型半導体層は、前記第１の金属層にオーム接触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の製造方法。
3. 前記第１の基板を分離させた後、前記バッファ層を除去し、前記ｎ型半導体層を露出させることをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
4. 前記露出したｎ型半導体層の表面を粗く形成することは、
   前記露出したｎ型半導体層上に金属層を形成し、
   前記金属層を熱処理して、金属島を形成し、
   前記金属島をエッチングマスクとして、前記ｎ型半導体層の一部をエッチングすること
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。

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