JP5384481B2 - 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製造方法に関し、より詳しくは、超音波洗浄器を用いて、研磨材により発光ダイオードの表面をスクラッチング処理（ｓｃｒａｔｃｈｉｎｇ）することにより、光取り出し効率を向上させた発光ダイオードおよびその製造方法に関する。

代表的な発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、Ｎ型半導体とＰ型半導体が互いに接合した構造を有する光電変換半導体素子であって、電子と正孔の再結合により光を放出するように構成される。

このような発光ダイオードとしては、ＧａＮ系発光ダイオードが知られている。ＧａＮ系発光ダイオードは、例えば、サファイアまたはＳｉＣ等の材料からなる基板上に、ＧａＮ系のＮ型半導体層、活性層（または、発光層）、Ｐ型半導体層を、順次、積層形成して製造される。

最近、高効率発光ダイオードは、蛍光ランプを代替するものと期待されており、特に、白色発光ダイオードの効率は、通常の蛍光ランプの効率に類似した水準に到達している。しかしながら、発光ダイオードの効率は、さらに改善する余地があり、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。

発光ダイオードの効率を改善するために、二つの主要なアプローチが試みられている。第一のアプローチは、結晶品質およびエピタキシャル層の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、第二のアプローチは、発光ダイオードで生成した光が、すべて外部へ放出されず、内部で損失される光が多いことにより、光取り出し効率を増加させることである。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、超音波洗浄器を用いて、研磨材により発光ダイオードの表面をスクラッチング処理することにより、発光ダイオードの光取り出し効率を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一つの特徴によると、基板上に下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層を形成し、研磨材で前記基板を摩擦（ｒａｂｂｉｎｇ）することにより、前記基板の表面をスクラッチング処理して、前記基板の表面上に前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸を形成することを含み、前記スクラッチング処理を行う工程は、超音波洗浄器内に研磨材が混入された溶媒を準備し、前記超音波洗浄器内に前記化合物半導体層が形成された基板を配置し、前記研磨材の活性化を通じたスクラッチング処理を行うために、前記超音波洗浄器内に超音波を印加することを含む発光ダイオードの製造方法が提供される。

前記発光ダイオードの製造方法は、さらに、前記スクラッチング処理を行う前に、前記上部半導体層上にエレクトロンワックス層を形成することを含んでもよい。

前記基板を配置する工程は、前記基板が前記超音波洗浄器内において下方に向かうように配置させることが好ましい。

前記発光ダイオードの製造方法は、前記研磨材として１μｍ以上２０μｍ以下の直径を有するダイヤモンドを用いて行ってもよい。

前記ダイヤモンドの直径は、２μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。

前記発光ダイオードの製造方法は、前記研磨材として、０．１以上１１．５μｍ以下の直径を有するＳｉＣを用いてもよい。

前記ＳｉＣの直径は、０．１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。

前記研磨材は、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃｕｂｉｃ）のうち少なくとも一つを含んでもよい。

前記発光ダイオードの製造方法は、さらに、前記化合物半導体層上に少なくとも一つの電極を形成し、前記電極上に絶縁層を形成し、研磨材で前記絶縁層を摩擦することにより、前記絶縁層の表面をスクラッチング処理することをさらに含んでもよい。

上記の目的を達成するため、本発明の他の特徴によると、基板上に下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層を形成し、前記化合物半導体層上に少なくとも一つの電極を形成し、前記電極上に絶縁層を形成し、研磨材で前記絶縁層を摩擦することにより、前記絶縁層の表面にスクラッチング処理して、前記基板の表面上に前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸を形成することを含み、前記スクラッチング処理を行う工程は、超音波洗浄器内に前記研磨材が混入された溶媒を準備し、前記超音波洗浄器内に前記絶縁層が形成された基板を配置し、前記研磨材の活性化を通じて前記絶縁層にスクラッチング処理を行うために、前記超音波洗浄器内に超音波を印加することを含むことを発光ダイオードの製造方法が提供される。

前記研磨材は、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃｕｂｉｃ）のうち少なくとも一つを含んでもよい。

前記基板を配置する工程は、前記絶縁層が前記超音波洗浄器内において下方に向かうように配置させてもよい。

前記絶縁層を形成する工程は、前記少なくとも一つの電極が形成された化合物半導体層上に絶縁層を形成し、前記電極上に形成された絶縁層のみを残し、前記絶縁層の残りを除去するパターニングを行う工程を含み、前記パターニングを行う工程は、前記電極の一部が露出するようにパターニングしてもよい。前記絶縁層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、ＩｎＳｎＯｘ、ＢａＴｉＯxのうちいずれか一つを含んでもよい。

前記発光ダイオードの製造方法は、前記研磨剤として２μｍ以上４μｍ以下の直径を有するダイヤモンドを用いて行ってもよい。前記超音波印加時間は、２〜４分であることが好ましい。

上記の目的を達成するため、本発明のまた他の特徴によると、基板と、前記基板上に形成された下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層と、前記化合物半導体層上に形成された少なくとも一つの電極と、前記電極上に形成された絶縁層と、を含み、前記基板は、不規則にスクラッチング処理され、前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸が形成された表面を有し、前記絶縁層は、不規則にスクラッチング処理され、前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸が形成された表面を有することを特徴とする発光ダイオードが提供される。

上記の目的を達成するため、本発明のまた他の特徴によると、基板と、前記基板上に形成された下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層と、前記化合物半導体層上に形成された少なくとも一つの電極と、前記電極上に形成された絶縁層と、を含み、前記絶縁層は、不規則にスクラッチング処理され、前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸が形成された表面を有することを特徴とする発光ダイオードが提供される。前記絶縁層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、ＩｎＳｎＯｘ、ＢａＴｉＯｘのうちいずれか一つを含んでもよい。前記絶縁層のスクラッチング処理された表面は、０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下（０は除外）の凹凸が形成されてもよい。

本発明の実施形態によると、超音波洗浄器および研磨材を用いて、発光ダイオードの表面を摩擦させてスクラッチング処理することにより、活性層で発光された光を効率よく外部に放出させることができる。これにより、発光ダイオードの光取り出し効率を改善することができる。

サファイア基板の表面をスクラッチング処理した場合、最大３５％の発光強度向上に成功した。スクラッチング処理前後で回折範囲の凹凸が減少し平らになるため、基板に向かって伝播する光の光取り出し効率が減少し、活性層で発光された光が基板の凹凸にぶつかり、発光ダイオードの上部の表面側に反射されることにより、発光ダイオードの上部側で発光強度が向上した。

また、透明電極上に形成されたＳｉＯ_２絶縁層の表面にスクラッチング処理をした場合、最大４０％の発光強度向上に成功した。スクラッチング処理後、表面に０ｎｍより大きく５０ｎｍ程度の凹凸が多数形成され、この凹凸がレイリー散乱を発生させ、表面からの光取り出し効率が向上し、活性層で発光された光が効率よく放出され、発光ダイオードの上部側で発光強度が向上することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る基板がスクラッチング処理された発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの製造工程を示すフローチャートである。 図３は、図２の製造工程を説明するための発光ダイオードの断面図である。 図４は、図２の製造工程を行うための超音波洗浄器の概略図である。 図５は、スクラッチング処理前後のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）特性を示すグラフである。 図６は、スクラッチング処理前後の電流−電圧（ＩＶ）特性を示すグラフである。 図７は、スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図８は、スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図９は、スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図１０は、スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図１１は、研磨材の粒子径と発光強度との関係を説明するためのグラフである。 図１２は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて行う１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。 図１３は、ＳｉＣ（３μｍ）を用いて行う１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。 図１４は、ＳｉＣ（１１．５μｍ）を用いて行う１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。 図１５は、図１２〜図１４を参照して説明した実験条件で行われた粒子径（０．２μｍ、３μｍ、１１．５μｍ）別の結果をまとめたグラフである。 図１６は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図１７は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図１８は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図１９は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図２０は、ダイヤモンド（２〜４μｍ）を用いて行う１０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。 図２１は、ダイヤモンド（２〜４μｍ）を用いて行う６０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。 図２２は、ダイヤモンド（２〜４μｍ）を用いて行う１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。 図２３は、スクラッチング処理時間と発光強度との関係を説明するためのグラフである。 図２４は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて行う１５０分スクラッチング処理前後に、発光ダイオードの上部側で測定されたＥＬ特性を示すグラフである。 図２５は、スクラッチング処理前後でのＩＶ特性を示すグラフである。 図２６は、スクラッチング処理前後でのＩＬ特性を示すグラフである。 図２７は、スクラッチング処理前後での基板側におけるＩＬ特性を示すグラフである。 図２８は、本発明の他の実施形態に係る電極上に形成された絶縁層がスクラッチング処理された発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。 図２９は、図２８に示す発光ダイオードの製造工程のフローチャートである。 図３０は、図２９に示す製造工程を説明するための図である。 図３１は、図２９に示す製造工程を説明するための図である。 図３２は、スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。 図３３は、スクラッチング処理前後のＩＶ特性を示すグラフである。 図３４は、スクラッチング処理前後のＩＬ特性を示すグラフである。 図３５は、２μｍレンジでの透明電極のＡＦＭ写真である。 図３６は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図３７は、スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図３８は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層の表面のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図３９は、スクラッチング処理を行った後の絶縁層の表面のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図４０は、スクラッチング処理時間と発光強度との関係を説明するためのグラフである。 図４１は、スクラッチング処理前後での発光角度分度特性を示すグラフである。 図４２は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図４３は、３分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図４４は、６分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。 図４５は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図４６は、３分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図４７は、６分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。 図４８は、比較例に係る発光ダイオードの発光角度特性を示すグラフである。 図４９は、比較例に係る発光ダイオードの表面を示す写真である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳述する。以下に開示される実施形態は、本発明の思想を当業者に十分理解させるために、一例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述される実施形態に限定されず、他の形態で実施してもよい。また、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、説明の便宜のために、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。

先ず、発光ダイオードにおける光取り出し効率と関連した光学原理について説明する。本発明の多様な実施形態では、スクラッチング処理を行うとき、このような光学原理を通じて、光取り出し効率を向上することを可能にする。

１．光の屈折（スネルの法則）
屈折率が異なる二つの媒質間を光が通過する際、媒質Ａの絶対屈折率をｎ_Ａ、媒質Ｂの絶対屈折率をｎ_Ｂとすると、次式で光が屈折する。

また一定以上の角度で光が入射する際、臨界角というものが存在して全反射を生じる。その角度は、次式で表される。

スネルの法則を用いて光の取り出し効率を論議する際は、表面の凹凸が深ければ深いほど光取り出し効率は向上する。ただし、この凹凸は、光の発光波長以上でないと、光は反応せず、屈折、反射という現象は生じない。つまり、スクラッチング処理を通じて、発光波長以上で深い凹凸を形成させることができれば、光取り出し効率は向上することができる。

２．光の散乱（レイリー散乱）
レイリー散乱は、光の波長よりも小さい粒子による光の散乱である。レイリー散乱は、基本的には気体中の散乱であるが、透明の液体や固体中でも生じる。この散乱現象により、当初全反射していた光を外部に取り出し、光取り出し効率の向上につながると予想することができる。散乱の量は、粒子径と光の波長により決まり、散乱係数は、波長の４乗に反比例する。レイリー散乱の散乱係数Ｋｓは、次式のようになる。

ここで、ｎは粒子径、ｄは粒子数、λは発光波長である。
つまり、粒子数が多く、発光波長が短いほど、散乱がよく生じる。しかし、 レイリー散乱が生じるためには、次式の条件が必要となる。
ここで、πＤは粒子径であり、λは発光波長である。
このαが０．４以下のときにレイリー散乱を生じてしまう。αが０．４より大きいときに、ミー散乱を生じてしまう。このミー散乱は、粒子が球体でないと散乱を生じないため、本発明に係るスクラッチング処理には適さない。発光波長を４００ｎｍとするとき、レイリー散乱を生じる粒子の最大径が５０ｎｍである。したがって、スクラッチング処理により凹凸が（５０ｎｍ以下）大きく、凹凸の数が多く、発光波長が短い条件であるほど、光取り出し効率は高くなる。

図１は、本発明の一実施形態に係る基板がスクラッチング処理された発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図であり、基板がスクラッチング処理された状態を示す図である。

図１を参照すると、本発明の実施形態に係る発光ダイオード１００は、基板１１０上に半導体層１２０〜１４０が配置される。基板１１０は、絶縁基板または導電性基板であってもよい。基板１１０は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウム燐（ＧａＰ）、リチウム−アルミナ（ＬｉＡｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板であってもよいが、これらに限定されるものではない。基板１１０は、基板１１０上に形成される半導体層の材料により多様に選択されてもよい。また、基板１１０は、その上部および／または下部がパターニングされた基板であってもよい。

基板１１０は、下面がスクラッチング処理される。基板１１０の下面は、後述する超音波洗浄器と研磨材を用いてスクラッチング処理されたものである。

半導体層１２０〜１４０は、下部半導体層１２０、下部半導体層１２０上に配置される上部半導体層１４０、および下部半導体層１２０と上部半導体層１４０との間に設けられた活性層１３０を含む。ここで、下部および上部半導体層１２０、１４０は、それぞれがｎ型およびｐ型、またはｐ型およびｎ型である。

下部半導体層１２０、活性層１３０、および上部半導体層１４０は、それぞれ窒化ガリウム系の半導体材料、つまり、（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎで形成されてもよい。活性層１３０は、要求される波長の光、例えば、紫外線または青色光を放出するように、組成元素および組成比が決定され、下部半導体層１２０および上部半導体層１４０は、活性層１３０に比べて、バンドギャップの大きい材料で形成される。

下部半導体層１２０および／または上部半導体層１４０は、図示のように、単層で形成されてもよいが、多層構造で形成されてもよい。また、活性層１３０は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有してもよい。

一方、半導体層１２０〜１４０と基板１１０との間にバッファ層（図示せず）が設けられてもよい。バッファ層は、基板１１０と、その上に形成される下部半導体層１２０の格子不整合を緩和させるために利用される。

また、透明電極１５０が、上部半導体層１４０上に形成される。透明電極１５０は、活性層１３０で生成した光を透過させ、上部半導体層１４０に電流を分散させて供給する。一方、透明電極１５０上に電極パッドがさらに形成されてもよく、ワイヤ（図示せず）が電極パッドにボンディングされる。一方、下部半導体層１２０上に電極パッド（図示せず）が形成されてもよい。電極パッドは、下部半導体層１２０にオーミックコンタクトされる。また、配線（図示せず）が電極パッドに接続され、下部半導体層１２０に電気的に接続される。

基板１１０の下面は、粗い表面を有して形成されることにより、活性層１３０で発光され、基板１１０に向かって伝播する光は、粗い表面で反射され、上部半導体層１４０から効率よく放出される。

図２は、本発明の好適な実施形態に係る発光ダイオードの製造工程を示すフローチャートであり、図３および図４は、製造工程を説明するための図である。

図２および図３を参照すると、基板１１０を準備する（Ｓ１）。基板１１０は、例えば、サファイア基板またはＳｉＣ基板であってもよい。

次いで、基板１１０上に、下部半導体層１２０、活性層１３０、上部半導体層１４０を形成する（Ｓ２）。上部半導体層１４０上に透明電極１５０を形成する（Ｓ３）。透明電極１５０が形成された上部半導体層１４０上に、エレクトロンワックス層１６０を形成する（Ｓ４）。エレクトロンワックス層１６０は、スクラッチング処理を行う際、透明電極１５０および上部半導体層１４０がスクラッチング処理されることを防止する役割をする。このような方法で、まだスクラッチング処理されていない発光ダイオード１００が完成した。

研磨材を準備する（Ｓ５）。研磨材は、サファイアのモース硬度９と同等とし、または、それ以上である材料として、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃｕｂｉｃ）のうち少なくとも１種または２種以上の混合物とする。準備した研磨材を溶媒に混入して準備する。溶媒は、メタノールまたはエタノールを用いてもよい。

超音波洗浄器３００を準備する（Ｓ６）。図４に示すように、超音波洗浄器３００としては、ソニック、ウルトラソニックまたはメガソニックの超音波を発生させる超音波洗浄器が用いられる。

超音波洗浄器３００内に研磨材３０１が混入された溶媒３０２を入れ、発光ダイオード１００を配置させた後、超音波を発生させて、研磨材３０１を活性化させる（Ｓ７）。この際、超音波洗浄器３００内にスクラッチング処理しようとする基板１１０の面が下方に向かうように配置させる。図を参照すると、符号３０３は容器を示し、符号３０４は容器に収容された水３０４を示す。

超音波洗浄器３００で超音波振動が発生すると、研磨材３０１は、超音波洗浄器内で活性化し、基板１１０の下部面を摩擦するようになる。研磨材３０１の摩擦により、図１に示すように、基板１１０の下部面が不規則に磨耗され、粗くスクラッチング処理される。

基板の表面の粗さおよび形状は、研磨材３０１の粒子径と超音波洗浄器３００の超音波発生時間により制限されるものではなく変形してもよい。

その後、透明電極１５０および上部半導体層１４０上に形成されたエレクトロンワックス層１６０を除去し、上部半導体層１４０および活性層１３０の一部をエッチングし、下部半導体層１２０を露出させる。露出された下部半導体層１２０に他の複数の電極（図示せず）を形成する。

その後、ダイヤモンドスクライビングまたはレーザースクライビングを通じて、個別の発光ダイオードに分離して、発光ダイオード１００は完成する。

以下、多様な実験例を通じて、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの改善された特性を示す。

＜実験１＞
研磨材にダイヤモンドを用いて、発光ダイオードの基板の下面をスクラッチング処理し、スクラッチング処理前後で発光ダイオードの発光強度がどれくらい上昇するかを測定した。

［実験条件］
−ＬＥＤ：青色（Ｎ１３７４）
−メタノール：１０ｃｃ
−ダイヤモンド(２μｍ〜４μｍの大きさ)：５００ｍｇ
−スクラッチング処理時間：１５０分
−超音波洗浄器の周波数：２８ｋＨｚ

［実験結果］
図５は、スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフであり、図６は、スクラッチング処理前後のＩＶ特性を示すグラフである。

図５を参照すると、スクラッチング処理前後で約３０％発光強度の向上が見られた。ほかにも数パターン同じ測定を行ったが、ほぼ同等の結果が得られた。

一方、図６を参照すると、スクラッチング処理前後でのＩＶ特性変化は見られない。スクラッチング処理前後でのＩＶ特性変化が見られないことは、上部半導体層上にエレクトロンワックスを形成し、スクラッチング処理を行う際、上部半導体層や電極にダメージがなかったからである。スクラッチング処理のためにエレクトロンワックスを形成した後、ＩＶ特性値を検出する際は、エレクトロンワックスを残したり取り除いたりしてみたが、依然としてＩＶ特性に変化が見られないことが確認できた。

図５を参照すると、スクラッチング処理を通じて発光効率が増加したことがわかるが、スクラッチング処理がどうような作用により発光効率を向上させたか調べるために、スクラッチング処理前後でサファイア基板のＡＦＭ写真を比べた。

サファイア基板のＡＦＭ写真は、二つのレンジに分けて撮影した。つまり、光の散乱が生じる凹凸の分布を調べるために、２μｍレンジのＡＦＭ写真を撮影して比べ、光の屈折、反射が生じる凹凸の分布を調べるために、２０μｍレンジのＡＦＭ写真を撮影して比べた。

図７は、スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）であり、図８は、スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。

図７および図８を比べると、図７に示すスクラッチング処理前では、２μｍレンジのサファイア基板の表面がとても滑らかであるのに対して、図８に示すスクラッチング処理後、２μｍレンジのサファイア基板の表面に０〜１００ｎｍの凹凸が多数付いていることが見られる。このような２μｍレンジの発光波長以下の凹凸では、光の屈折、反射現象は生じず、散乱現象が生じる。したがって、スクラッチング処理により散乱がさらに生じ、これにより、基板を通過して放出される光取り出し効率が増加することが確認された。

図９は、スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）であり、図１０は、スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。

２０μｍレンジでの凹凸では、光は屈折、反射を生じる。図９および図１０を比べると、図９に示すスクラッチング処理前に撮影された２０μｍレンジのサファイア基板の表面は粗いのに対して、図１０に示すスクラッチング処理した後に撮影された２０μｍレンジのサファイア基板の表面は、より凹凸が少なくなり平らになっている。

スネルの法則によると、表面の凹凸が深ければ深いほど光取り出し効率は向上する。したがって、２０μｍレンジ内でのサファイア基板のＡＦＭ写真の結果では、スクラッチング処理を行う場合、スクラッチング処理前にサファイア基板に存在した粗い表面がスクラッチング処理を通じて磨耗され、より平らになったということは、光の屈折、反射を通じて、基板を通過して放出される光取り出し効率が減少するということである。

図１１は、研磨材の粒子径と発光強度との関係を説明するためのグラフであり、ダイヤモンドの粒子径（０．２μｍ、４μｍ及び２０μｍ）による発光強度の向上率をまとめたものである。このような結果を通して研磨材として利用するダイヤモンドの粒子径が２μｍ〜４μｍである時、発光強度が大きく向上することが分かる。

＜実験２＞
研磨材にＳｉＣを用いて、発光ダイオードの基板の下面をスクラッチング処理し、スクラッチング処理前後で発光強度がどれくらい上昇するかを測定した。

［実験条件］
−ＬＥＤ：青色（Ｎ１３７１）
−メタノール：２０ｃｃ
−ＳｉＣ（０．２５μｍ、３μｍ、１１．５μｍの大きさ）：１ｇ
−スクラッチング処理時間：１２０分
−超音波洗浄器の周波数：２８ｋＨｚ

［実験結果］
図１２は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。

図１２を参照すると、スクラッチング処理前後で約３０％発光強度が向上している。

図１３は、ＳｉＣ（３μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。

図１３を参照すると、スクラッチング処理前後で、多少の発光強度が向上したことが見られるが、変化はほぼ見られない。

図１４は、ＳｉＣ（１１．５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。

図１４を参照すると、スクラッチング処理前後で、発光強度の変化は見られない。図１５は、図１２〜図１４を参照して説明した実験条件で行われた粒子径（０．２μｍ、３μｍ、１１．５μｍ）別の結果をまとめたグラフである。このような結果により、研磨材として用いるＳｉＣの粒子径が小さいほど発光強度が向上することがわかる。

図１６は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）であり、図１７は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。

図１６および図１７を比べると、図１６に示すスクラッチング処理前の２μｍレンジのサファイア基板の表面がとても滑らかであるのに対して、図１７に示すスクラッチング処理後、２μｍレンジのサファイア基板の表面は１００ｎｍ〜２００ｎｍの凹凸が多数付いていることが見られる。このような２μｍレンジの発光波長以下の凹凸では、散乱現象は生じず、屈折現象が生じる。しかし、この程度のスクラッチング処理の角度は非常に浅いものであり、発光強度を向上させることは困難である。つまり、このスクラッチング処理された凹凸では、基板を通過して外部に放出される光取り出し効率は向上しない。

図１８は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行う前のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）であり、図１９は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理を行った後のサファイア基板のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。

図１８および図１９を比べると、図１８に示すスクラッチング処理前に撮影された２０μｍレンジのサファイア基板の表面は粗いのに対して、図１９に示すスクラッチング処理した後に撮影された２０μｍレンジのサファイア基板の表面は、より凹凸が少なくなり平らになっている。

スネルの法則によると、表面の凹凸が深ければ深いほど光取り出し効率は向上する。したがって、２０μｍレンジ内でのサファイア基板のＡＦＭ写真の結果では、スクラッチング処理を行う場合、スクラッチング処理前にサファイア基板の粗い表面がスクラッチング処理を通じて磨耗され、より平らになったということは、光の屈折、反射を通じて、基板を通過して放出される光取り出し効率は減少するということを意味する。

＜実験３＞
実験３では、研磨材にダイヤモンドを用いて、発光ダイオードの基板の下面をスクラッチング処理する際、スクラッチング処理時間と発光強度との関係を測定した。

［実験条件］
−ＬＥＤ：青色（Ｎ１３７４）
−メタノール：１０ｃｃ
−ダイヤモンド（２μｍ〜４μｍの大きさ）：５００ｍｇ
−スクラッチング処理時間：１０分、６０分、１２０分
−超音波洗浄器の周波数：２８ｋＨｚ

［実験結果］
図２０は、ダイヤモンド（２μｍ〜４μｍ）を用いて１０分スクラッチング処理前後でのＥＬ特性を示すグラフである。

図２０を参照すると、１０分スクラッチング処理前後での発光強度特性の変化はほぼ見られない。

図２１は、ダイヤモンド（２μｍ〜４μｍ）を用いて６０分スクラッチング処理前後でのＥＬ特性を示すグラフである。

図２１を参照すると、６０分スクラッチング処理前後での発光強度特性の変化はほぼ見られない。

図２２は、ダイヤモンド（２μｍ〜４μｍ）を用いて１２０分スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフである。図２２を参照すると、スクラッチング処理前後で１５％程度発光強度が向上している。

図２３は、スクラッチング処理時間と発光強度との関係を示すグラフであって、図２０〜図２２、図５を参照して説明した実験条件下で行われたスクラッチング処理時間（１０分、６０分、１２０分、１５０分）別の結果をまとめたものである。

図２３を参照すると、１００分のスクラッチング処理を行うと発光強度が向上し始めている。これは、サファイアの硬度が高いためスクラッチング処理されにくいためであると考えられる。

＜実験４＞
実験１〜実験３では、発光ダイオードの上部の表面からの発光強度を測定した。しかし、実験４では、発光ダイオードの上部の表面からの発光強度以外にも、発光ダイオードの基板の下部からの発光強度も測定するようにする。

この実験により、基板の下部を通過して放出された光が、外部から発光ダイオードの上部側に反射するか、基板の下部を通過できず基板の凹凸にぶつかり、発光ダイオードの上部に向かって反射され、発光ダイオードの上部を通過して放出されるかについて確認する。

この実験では、発光強度を向上させる研磨材の条件（ＳｉＣ、０．２５μｍ）のみを実験した。

［実験条件］
−ＬＥＤ：青色（Ｎ１３７１）
−メタノール：２０ｃｃ
−ＳｉＣ（０．２５μｍの大きさ）：１ｇ
−スクラッチング処理時間：１５０分
−超音波洗浄器の周波数：２８ｋＨｚ

［実験結果］
図２４は、ＳｉＣ（０．２５μｍ）を用いて１５０分スクラッチング処理前後に、発光ダイオードの上部側で測定されたＥＬ特性を示すグラフである。

図２４を参照すると、スクラッチング処理前に比べてスクラッチング処理を行った後、発光強度が約１８％向上していることが見られる。

図２５は、スクラッチング処理前後でのＩＶ特性を示すグラフである。図２５を参照すると、スクラッチング処理前後での電流−電圧特性の変化は見られない。

図２６は、スクラッチング処理前後でのＩＬ特性を示すグラフである。図２６を参照すると、スクラッチング処理前に比べてスクラッチング処理後の発光ダイオードの上部側からの発光量が向上している。

図２７は、スクラッチング処理前後の基板側でのＩＬ特性を示すグラフである。図２７を参照すると、スクラッチング処理前に比べてスクラッチング処理を行った後の基板側からの発光量が減少している。

発光ダイオードの基板にスクラッチング処理を行った後、基板側からの発光量が減少しているのに対して、発光ダイオードの上部側で発光強度が増加したというのは、スクラッチング処理を通じて基板側に出た光により発光ダイオードの上部側で測定した発光強度が高くなったのではなく、スクラッチング処理により基板の表面特性が変化し、基板側に放出されなかった光が減少し、その光が発光ダイオードの上部側に向かって放出されたことを意味する。

実験１〜実験４において行った基板スクラッチング処理を通じて、基板の表面上に形成された凹凸の大きさは、光の波長である４００ｎｍよりも小さい１００ｎｍ程度である。そして、４００ｎｍよりも大きなサイズの凹凸はスクラッチング処理前後で大きく減少して、回折範囲では基板を通過して放出される光が減少し、その代わりに、基板にぶつかった後、光は、発光ダイオードの上面に向かって戻ると考えられる。

また、基板のスクラッチング処理により、生成された５０ｎｍ以下の小さな凹凸はレイリー散乱による基板側の光取り出し効率の向上も考えられるが、回折による影響がさらに大きいため、基板側への光取り出し効率が減少し、基板に形成された凹凸により、その光が発光ダイオードの上部に向かって戻り、発光ダイオードの上面での光取り出し効率が高くなったと考えられる。

図２８は、本発明の他の実施形態に係る電極上に形成された絶縁層がスクラッチング処理された発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図であって、絶縁層がスクラッチング処理された状態を示す図である。

図２８を参照すると、本発明の他の実施形態に係る発光ダイオード２００は、基板２１０上に半導体層２２０〜２４０が配置される。基板２１０は、絶縁または導電性基板であってもよい。基板２１０は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウム燐（ＧａＰ）、リチウム−アルミナ（ＬｉＡｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板であってもよいが、これらに限定されるものではなく、基板２１０上に形成される半導体層の材料により多様に選択されてもよい。また、基板２１０は、その上部面および／または下部面がパターニングされた基板であってもよい。

半導体層２２０〜２４０は、下部半導体層２２０、下部半導体層２２０上に配置された上部半導体層２４０、および下部半導体層２２０と上部半導体層２４０との間に設けられた活性層２３０を含む。ここで、下部半導体層２２０および上部半導体層２４０は、それぞれｎ型およびｐ型、またはｐ型およびｎ型である。

下部半導体層２２０、活性層２３０、および上部半導体層２４０は、それぞれ窒化ガリウム系の半導体材料、つまり、（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎで形成されてもよい。活性層２３０は、要求される波長の光、例えば、紫外線または青色光を放出するように、組成元素および組成比が決定され、下部半導体層２２０および上部半導体層２４０は、活性層２３０に比べて、バンドギャップの大きい材料で形成される。

下部半導体層２２０および／または上部半導体層２４０は、図示のように、単層または多層構造で形成されてもよい。また、活性層２３０は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有してもよい。

一方、半導体層２２０〜２４０と基板２１０との間にバッファ層（図示せず）が設けられてもよい。バッファ層は、基板２１０と、その上に形成される下部半導体層２２０の格子不整合を緩和させるために利用される。

また、透明電極２５０が、上部半導体層２４０上に形成される。透明電極２５０は、活性層２３０で生成された光を透過させ、上部半導体層２４０に電流を分散させて供給する。

絶縁層２６０が、各透明電極２５０上に形成される。絶縁層２６０は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、ＩｎＳｎＯｘ、ＢａＴｉＯｘのうちいずれか一つで形成されてもよい。絶縁層２６０は、透明電極２５０の一部分を露出させて覆っている。絶縁層２６０の表面はスクラッチング処理されている。絶縁層２６０の表面は、後述する超音波洗浄器と研磨材を用いてスクラッチング処理されたものである。絶縁層２６０の表面が粗い表面を有して形成されていることにより、活性層２３０で発光された光または基板２１０で反射された光は、効率よく外部に放出できる。

一方、透明電極２５０上に電極パッドが形成されてもよく、ワイヤ（図示せず）が電極パッドにボンディングされてもよい。一方、下部半導体層２２０に電極パッド（図示せず）が形成されてもよい。電極パッドは、下部半導体層２２０にオーミックコンタクトされる。また、配線（図示せず）が電極パッドに接続され、下部半導体層２２０に電気的に接続される。

図２９は、図２８に示す発光ダイオードの製造工程のフローチャートであり、図３０および図３１は、製造工程を説明するための図である。

図２９および図３０を参照すると、基板２１０を準備する（Ｓ２１）。基板２１０は、例えば、サファイア基板またはＳｉＣ基板であってもよい。

次いで、基板２１０上に、下部半導体層２２０、活性層２３０、上部半導体層２４０を形成する（Ｓ２２）。上部半導体層２４０上に透明電極２５０を形成する（Ｓ２３）。透明電極２５０が形成された上部半導体層２４０上に、絶縁層２６０を形成する（Ｓ２４）。ここでは、絶縁層２６０としてＳｉＯ_２を用いる。絶縁層２６０上にレジスト２７０を形成する（Ｓ２５）。この際、レジスト２７０は、各透明電極２５０の一部を露出させるように、透明電極２５０の一部を残して絶縁層の一部を覆う。

絶縁層２６０上にレジスト２７０を形成してから、図３１に示すように、フッ酸処理を行い、レジスト２７０により絶縁層２６０の限定された部分のみを残し、残りの領域の絶縁層２６０をパターニングして透明電極２５０の一部を露出させる（Ｓ２６）。フッ酸処理は、２０秒間行った時に、絶縁層２６０を効率よく除去できる。その後、レジスト２７０を除去する（Ｓ２７）。このような方法で、まだスクラッチング処理されていない発光ダイオード１００が完成した。

研磨材を準備する（Ｓ２８）。研磨材は、サファイアのモース硬度（９）と同等とし、または、それ以上である材料として、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃｕｂｉｃ）のうちいずれか１種または２種以上の混合物とする。準備した研磨材を溶媒に混入して準備する。溶媒は、メタノールまたはエタノールを用いてもよい。

超音波洗浄器を準備する（Ｓ２９）。図４に示すように、超音波洗浄器としては、ソニック、ウルトラソニック、メガソニックの超音波を発生させる超音波洗浄器を用いてもよい。

超音波洗浄器３００内に研磨材３０１が混入された溶媒を入れた後、透明電極上に絶縁層が形成された基板を配置させ、超音波を発生させて、研磨材３０１を活性化させる（Ｓ３０）。この際、超音波洗浄器３００内にスクラッチング処理しようとする絶縁層２６０が下方に向かうように配置させる。

超音波洗浄器３００内で超音波振動が発生すると、研磨材３０１は、超音波洗浄器３００内で活性化し、透明電極２５０上に形成された絶縁層２６０の表面を摩擦する。研磨材３１０の摩擦により、図２８に示すように、絶縁層２６０の表面が不規則に磨耗され、粗くスクラッチング処理される。

絶縁層表面の粗さおよび形状は、研磨材３１０の粒子径と超音波洗浄器の超音波発生時間により制限されるのではなく変形してもよい。その後、上部半導体層２４０および活性層２３０の一部をエッチングし、下部半導体層２２０を露出させる。露出された下部半導体層２２０上に他の複数の電極（図示せず）を形成する。

その後、ダイヤモンドスクライビングまたはレーザースクライビングを通じて、個別の発光ダイオードに分離し、発光ダイオード２００は完成する。

以下、多様な実験例を通じて、本発明の実施形態に係る発光ダイオードの改善された特性を示す。

＜実験５＞
実験５では、研磨材にダイヤモンドを用いて、発光ダイオードの透明電極上に形成された絶縁層の表面をスクラッチング処理し、スクラッチング処理前後で発光強度がどれくらい上昇するかを測定した。

［実験条件］
−ＬＥＤ：青色（Ｎ１６２２）
−メタノール：１０ｃｃ
−ダイヤモンド(２μｍ〜４μｍの大きさ)：５００ｍｇ
−スクラッチング処理時間：３分
−超音波洗浄器の周波数：２８ｋＨｚ
−フッ酸処理時間：２０秒
−ＳｉＯ_２の蒸着厚さ：１５μｍ

［実験結果］
図３２は、スクラッチング処理前後のＥＬ特性を示すグラフであり、図３３は、スクラッチング処理前後のＩＶ特性を示すグラフであり、図３４は、スクラッチング処理前後のＩＬ特性を示すグラフである。

図３２を参照すると、スクラッチング処理前後で約２５％発光強度の向上が見られる。

一方、図３３を参照すると、スクラッチング処理前後での電流−電圧特性に変化が見られる。これは、絶縁層が透明電極を全体的に覆わず一部が露出しているので、スクラッチング処理を行う際に透明電極の一部がスクラッチング処理されることにより、フッ酸処理を行った際に上部半導体層に影響があったためだと考えられる。

一方、図３４を参照すると、スクラッチング処理を行った後の発光量は、ＥＬ特性に伴い、約２０％向上している。

図３２〜図３４を参照すると、スクラッチング処理を通じて発光効率が増加したことがわかるが、スクラッチング処理がどうような作用により発光効率を向上させたか調べるために、スクラッチング処理前後で基板のＡＦＭ写真を比べた。

サファイア基板のＡＦＭ写真は、二つのレンジに分けて撮影した。つまり、光の散乱が生じる凹凸の分布を調べるために、２μｍレンジのＡＦＭ写真を撮影して比べ、光の屈折、反射が生じる凹凸の分布を調べるために、２０μｍレンジのＡＦＭ写真を撮影して比べた。

図３５は、２μｍレンジでの透明電極のＡＦＭ写真であり、図３６は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）であり、図３７は、スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。

図３５および図３６を比べると、図３６に示す絶縁層は、図３５に示す透明電極に基づいて蒸着していることがわかる。また、図３６および図３７比べると、スクラッチング処理後に絶縁層の表面に０〜１００ｎｍの凹凸が多数付いていることが確認できる。この凹凸がレイリー散乱を引き起こし発光強度向上につながったと考えられる。

図３８は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層の表面のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）であり、図３９は、スクラッチング処理を行った後の絶縁層の表面のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。

図３８および図３９を比べると、スクラッチング処理前後で表面の変化は特に見られない。

つまり、図３５〜図３９の結果から、２μｍレンジではレイリー散乱が大きく影響し発光強度を２５％向上させたと考えられる。

＜実験６＞
実験６では、透明電極上に形成された絶縁層をスクラッチング処理して発光強度が向上したが、どのような作用により発光強度が向上しているのかを調べるために、０°〜１８０°の範囲で発光強度の角度分布を測定した。

［実験条件］
−ＬＥＤ：青色（Ｎ１６２２）
−メタノール：１０ｃｃ
−ダイヤモンド（２μｍ〜４μｍの大きさ）：５００ｍｇ
−スクラッチング処理時間：３分、６分
−超音波洗浄器の周波数：２８ｋＨｚ
−フッ酸処理時間：２０秒
−ＳｉＯ_２の蒸着厚さ：１５μｍ

［実験結果］
図４０は、スクラッチング処理時間と発光強度との関係を説明するためのグラフであり、図４１は、スクラッチング処理前後での発光角度分度特性を説明するためのグラフである。図４０および図４１を参照すると、３分スクラッチング処理で最も発光強度が向上している。６分スクラッチング処理になるとスクラッチング処理前に比べると発光強度は向上しているが、３分スクラッチング処理に比べて発光強度が減少している。また、３分スクラッチング処理および６分スクラッチング処理の場合、いずれも等方的に発光強度が向上していることが確認できる。

図４２は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）であり、図４３は、３分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）であり、図４４は、６分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２μｍレンジ）である。

図４３および図４４を比べると、図４４に示す６分スクラッチング処理より図４３に示す３分スクラッチング処理を行った場合に、絶縁層の表面に深い凹凸が形成されていることが確認できる。つまり、６分までスクラッチング処理を行うと絶縁層の全体が磨耗されてしまうからである。発光強度は、３分スクラッチング処理が最も向上していたため、発光強度はレイリー散乱による影響が大きいと考えられる。

図４５は、スクラッチング処理を行う前の絶縁層のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）であり、図４６は、３分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）であり、図４７は、６分スクラッチング処理を行った後の絶縁層のＡＦＭ写真（２０μｍレンジ）である。

図４６および図４７を比べると、スクラッチング処理を行うことで多少の凹凸が形成されたことが見られるが、実験１〜実験４に示したようなスクラッチング処理前後でのサファイア基板の凹凸に比べるとたいしたことはない。したがって、回折による光取り出し効率が減少してとも考えられるが、レイリー散乱の影響のほうが大きいと考えられるため、絶縁層からの光取り出し効率が向上したと考えられる。

実験５および実験６に示したとおり、透明電極上に形成された絶縁層に対するスクラッチング処理では、基板のスクラッチング処理とは異なり、回折範囲での凹凸の減少はほぼ見られなかった。サアァイア基板のスクラッチング処理では、この凹凸の減少により基板側への光取り出し効率が減少したが、絶縁層の表面のスクラッチング処理では、この減少が少なくレイリー散乱により光取り出し効率が向上した。また、発光強度の角度分布においては、スクラッチング処理前後で等方的に発光強度が向上した。

図４８は、比較例に係る発光ダイオードの発光角度特性を示すグラフであり、図４９は、比較例に係る発光ダイオードの表面を示す写真である。

図４８および図４９は、台湾Ｃｈｅｎｇ ｋｕｎｇ大学Ｊ．Ｋ．Ｓｈｅｕ氏の実験結果を示すものであり、Ｊ．Ｋ．Ｓｈｅｕ氏の実験は、Ｐ層を荒らすという方法であり、図４９に示すように表面に均一に凹凸を形成している。これにより、Ｊ．Ｋ．Ｓｈｅｕ氏の実験は、図４８に示すように、一定方向のみに発光強度が向上している。しかし、図４１に示す本発明に係る発光ダイオードの発光角度特性のグラフでは、等方的に発光角度が向上している。発光角度特性におけるこれらの差は、比較例の場合、凹凸が均一になっていることにより一定方向に発光強度が向上するものであり、本発明に係る発光ダイオードでは、超音波を用いて研磨材を活性化させ、絶縁層の表面に凹凸が不規則に形成されることにより等方的に発光強度が向上するものである。

しかし、以上の本発明は、上述した実施形態に限定されず、当業者により様々な変形および変更をしてもよく、これは、添付の請求項で定義される本発明の趣旨と範囲に含まれる。

例えば、本発明の実施形態では、サファイア基板にスクラッチング処理を行うことについて説明しているが、サファイア基板以外にも、超音波振動を用いて研磨材によるスクラッチング処理が可能な基板であれば、いずれの基板も使用可能であるため、通常使用される基板も適用可能であることがわかる。

また、本発明の実施形態では、絶縁層にＳｉＯ_２を用いることについて説明したが、これに限定されず、他の材料で作られるいかなる他の絶縁層にも適用可能である。

また、本発明の実施形態では、基板または絶縁層の表面をスクラッチング処理するために、超音波洗浄器を用いることについて説明したが、本発明はこれに限定されず、研磨材を振動させて発光ダイオードの表面をスクラッチング処理さえできればよいので、いかなる他の超音波振動装置にも適用可能である。

また、本発明の実施形態では、基板上に、下部半導体層、活性層、上部半導体層、電極を形成した後、基板をスクラッチング処理することについて説明したが、スクラッチング処理を行った後、電極を形成し、下部半導体層を露出させて下部電極を形成するいかなる変形例が適用可能である。また、基板上に、下部半導体層、活性層、上部半導体層、電極を形成し、下部半導体層を露出させて下部電極を形成し、エレクトロンワックスで上部半導体層を保護した後、基板をスクラッチング処理するいかなる例も適用可能である。

また、本発明の実施形態では、基板または絶縁層の表面に対してそれぞれスクラッチング処理することについて説明したが、基板をスクラッチング処理した後、別途の過程を通じて、絶縁層の表面をスクラッチング処理することも、本発明の思想および範囲に含まれることがわかる。また、例えば、基板上に、下部半導体層、活性層、上部半導体層、電極を形成し、下部半導体層を露出させて電極を形成し、エレクトロンワックスで上部半導体層を保護し、基板をスクラッチング処理し、上部半導体層を覆っているエレクトロンワックスを除去し、絶縁層の表面をスクラッチング処理することにより、基板のスクラッチング処理を通じた光取り出し効率の向上と絶縁層のスクラッチング処理を通じた光取り出し効率を改善することが可能である。

Claims (19)

1. 基板上に下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層を形成し、
   前記基板に研磨材を摩擦させ、前記基板の表面をスクラッチング処理して、前記基板の表面上に前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸を形成すること、を含み、
   前記スクラッチング処理を行う工程は、
   超音波洗浄器内に研磨材が混入された溶媒を準備し、
   前記超音波洗浄器内に前記化合物半導体層が形成された基板を配置し、
   前記研磨材の活性化を通じたスクラッチング処理を行うために、前記超音波洗浄器内に超音波を印加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. 前記スクラッチング処理を行う前に、前記上部半導体層上にエレクトロンワックス層を形成す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。
3. 前記基板を配置する工程は、
   前記基板が前記超音波洗浄器内において下方に向かうように配置させ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。
4. 前記研磨材は、１μｍ以上２０μｍ以下の直径を有するダイヤモンド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の製造方法。
5. 前記ダイヤモンドの直径は、２μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの製造方法。
6. 前記研磨材は、０．１μｍ以上１１．５μｍ以下の直径を有するＳｉＣ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の製造方法。
7. 前記ＳｉＣの直径は、０．１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオードの製造方法。
8. 前記研磨材は、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃｕｂｉｃ）の少なくとも一つ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。
9. 前記化合物半導体層上に少なくとも一つの電極を形成し、
   前記電極上に絶縁層を形成し、
   前記絶縁層を研磨材で摩擦させて、前記絶縁層の表面をスクラッチング処理す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。
10. 基板上に下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層を形成し、
    前記化合物半導体層上に少なくとも一つの電極を形成し、
    前記電極上に絶縁層を形成し、
    前記絶縁層を研磨材で摩擦させて、前記絶縁層の表面をスクラッチング処理して、前記絶縁層の表面上に前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸を形成することを含み、
    前記スクラッチング処理を行う工程は、
    超音波洗浄器内に前記研磨材が混入された溶媒を準備し、
    前記超音波洗浄器内に前記絶縁層が形成された基板を配置し、
    前記研磨材の活性化を通じて前記絶縁層にスクラッチング処理を行うために、前記超音波洗浄器内に超音波を印加することを含む発光ダイオードの製造方法。
11. 前記研磨材は、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃｕｂｉｃ）の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
12. 前記基板を配置する工程は、
    前記超音波洗浄器内において前記絶縁層が下方に向かうように前記基板を配置させることを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
13. 前記絶縁層を形成する工程は、
    前記少なくとも一つの電極が形成された化合物半導体層上に絶縁層を形成し、
    前記電極上に形成された前記絶縁層部分を残し、前記絶縁層の他の部分を除去するパターニングを行う工程を含み、
    前記パターニングを行う工程は、前記電極の一部が露出するようにパターニングすることを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
14. 前記絶縁層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、ＩｎＳｎＯｘ、ＢａＴｉＯｘのうちいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
15. 前記研磨材は、２μｍ以上４μｍ以下の直径を有するダイヤモンドであることを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオードの製造方法。
16. 基板と、
    前記基板上に形成された下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層と、
    前記化合物半導体層上に形成された少なくとも一つの電極と、
    前記電極上に形成された絶縁層と、を含み、
    前記基板は、不規則にスクラッチング処理され、前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸が形成された表面を有し、
    前記絶縁層は、不規則にスクラッチング処理され、前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸が形成された表面を有することを特徴とする発光ダイオード。
17. 基板と、
    前記基板上に形成された下部半導体層、活性層、および上部半導体層を含む化合物半導体層と、
    前記化合物半導体層上に形成された少なくとも一つの電極と、
    前記電極上に形成された絶縁層と、を含み、
    前記絶縁層は、不規則にスクラッチング処理され、前記活性層から発光される光の波長よりも大きさが小さい凹凸が形成された表面を有することを特徴とする発光ダイオード。
18. 前記絶縁層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、ＩｎＳｎＯｘ、ＢａＴｉＯｘのうちいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載の発光ダイオード。
19. 前記絶縁層のスクラッチング処理された表面は、０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下の凹凸が形成されたことを特徴とする請求項１６または１７に記載の発光ダイオード。