JP5512249B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子及びその製造方法に関するものである。
発光ダイオード（Light Emitting Diode:ＬＥＤ）は電流を光に変換させる半導体発光素子である。
このようなＬＥＤによって放出される光の波長は、ＬＥＤの製造に用いられる半導体材料に係る。これは、放出された光の波長が、価電子帯の電子と伝導帯の電子間のエネルギーの差を現わす半導体材料のバンドギャップに係るためである。
最近、発光ダイオードは輝度が段々増加するようになり、ディスプレ用の光源、自動車用の光源及び照明用の光源として用いられており、蛍光物質を利用したり多様な色のＬＥＤを組合せることで、効率が高い白色光を発光するＬＥＤの具現も可能である。
一方、発光ダイオードの輝度は、活性層の構造、光を外部に効率的に抽出できる光抽出構造、チップの大きさ、発光ダイオードを囲むモールディング部材の種類など様々な条件に左右される。
本発明は、新しい構造を有する発光素子及びその製造方法を提供する。
また、本発明は、光抽出効率が向上された発光素子及びその製造方法を提供する。
また、本発明は、発光効率が向上された発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明による発光素子は第２電極層と、前記第２電極層の上に第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層の上に活性層と、前記活性層の上にマスク層及びエアーギャップを含む第１フォトニック結晶（photonic crystal）が形成された第１導電型半導体層と、及び前記第１導電型半導体層の上に第１電極層を含む。
本発明による発光素子は第２電極層と、前記第２電極層の上に第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層の上に活性層と、前記活性層の上に第１フォトニック結晶が形成された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上に第２フォトニック結晶が形成された非伝導性半導体層と、及び前記第１導電型半導体層の上に第１電極層を含む。
本発明は、新しい構造を有する発光素子及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明は、光抽出効率が向上された発光素子及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明は、発光効率が向上された発光素子及びその製造方法を提供することができる。
本発明による実施例の説明において、各階（膜）、領域、パターン又は構造物が基板、各階（膜）、領域、パッド又はパターンの「上」に又は「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は直接又は他の層を介在して形成されることを皆含む。また、各階の“上”又は“下”の基準は図面を基準として説明する。
なお、図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性を図り、誇張、省略又は概略的に図示されている。また、各構成要素の大きさは実際の大きさを全面的に反映するものではない。
図１〜図５は、第１実施例による発光素子及びその製造方法の説明図であり、図１１は第１実施例による発光素子を上から見た図面である。
先ず、図５に示しているように、第１実施例による発光素子は、第２電極層５０と、第２電極層５０の上に形成された発光半導体層２０と、発光半導体層２０の上に形成された第１電極層６０と、発光半導体層２０の上に形成された非伝導性半導体層２４を備える。
第２電極層５０は、オーミック接触層５１、反射層５２及び導電性基板５３を含んでもよい。例えば、導電性基板５３は銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、又は不純物が注入された半導体基板中の少なくともいずれか１つから形成されてもよい。また、反射層５２は光反射率が高い銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、又はニッケル（Ｎｉ）中の少なくともいずれか１つを含む金属から形成されてもよい。また、オーミック接触層５１は透明電極層から形成されることができ、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＲｕＯｘ、ＴｉＯｘ、又はＩｒＯｘ中の少なくともいずれか１つから形成されてもよい。
発光半導体層２０は第１導電型半導体層２３、活性層２２及び第２導電型半導体層２１が含まれ、発光半導体層２０はＧａＮ系の物質から形成されてもよい。ここで、第１導電型半導体層２３がｎ−型半導体層であれば第２導電型半導体層２１はｐ−型半導体層からなっていてもよく、又は、第１導電型半導体層２３がｐ−型半導体層であれば第２導電型半導体層２１はｎ−型半導体層からなっていてもよい。
第１導電型半導体層２３上には第１電極層６０が形成される。第１電極層６０は第２電極層５０と共に活性層２２に電力を供給する。
非伝導性半導体層２４は、第１導電型半導体層２３及び第２導電型半導体層２１より電気伝導性が著しく低い物質から形成された半導体層であり、例えば、非伝導性半導体層２４はＵｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層からなっていてもよい。
一方、第１導電型半導体層２３内にはマスク層７１とエアーギャップ７２を含む第１フォトニック結晶７０が形成される。エアーギャップ７２はマスク層７１の下に配置され、マスク層７１と第１導電型半導体層２３により囲まれて形成される。
マスク層７１の上面は、第１導電型半導体層２３の上面と面一に配置される。
マスク層７１及びエアーギャップ７２は、平均的に第１周期で第１導電型半導体層２３内に配置される。ここで、第１周期はマスク層７１の中心から隣接するマスク層７１の中心までの距離の平均値である。エアーギャップ７２はマスク層７１に対応して形成されるから、エアーギャップ７２もマスク層７１と同じく第１周期で配置される。
本発明では、第１周期はλ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下に設計される。ここで、ｎは第１導電型半導体層２３の屈折率であり、λは活性層２２から放出される光の波長である。第１フォトニック結晶７０が光抽出効率を増加させるためには、λ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下の周期に設計される必要がある。
第１フォトニック結晶７０を形成するマスク層７１とエアーギャップ７２は発光半導体層２０を形成する物質の屈折率、例えば、ＧａＮ基板半導体層の屈折率より小さい屈折率を有し、第１フォトニック結晶７０は活性層２２から放出された光が、回折効果によって効率的に第１導電型半導体層２３の上側に抽出されるようにすることができる。
また、非伝導性半導体層２４には、光抽出効率を向上させるための第２フォトニック結晶４０を形成することができる。
第２フォトニック結晶４０は、非伝導性半導体層２４に複数のホール４１を含む。図５及び図１１において、第２フォトニック結晶４０は、非伝導性半導体層２４をエッチングして周期的にホール４１を形成した方が例示されているが、第２フォトニック結晶４０は、複数のホール４１の代わりに複数の柱（図示しない）に形成することも可能である。
本発明で、複数のホール４１は第２周期で配置されてもよい。例えば、第２周期は、λ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下に設計されてもよい。ここで、ｎは非伝導性半導体層２４の屈折率であり、λは活性層２２から放出される光の波長である。
第２フォトニック結晶４０は、活性層２２から放出された光が、回折効果によって効率的に非伝導性半導体層２４の上側に抽出されるようにすることができる。
以下、図１〜図５を参照して第１実施例による発光素子製造方法を説明する。
図１に示しているように、基板１０の上に非伝導性半導体層２４を形成し、非伝導性半導体層２４の上にマスク層７１を形成する。マスク層７１は非伝導性半導体層２４の上に選択的に形成され、第１周期を有するように配置される。
例えば、マスク層７１は、ＳｉＯ２をＰＥＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）で蒸着した後、パターニングして形成することができ、第１周期は、λ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下に設計される。ここで、ｎは第１導電型半導体層２３の屈折率であり、λは活性層２２から放出される光の波長である。
図２に示しているように、マスク層７１が形成された非伝導性半導体層２４の上に第１導電型半導体層２３を成長させる。第１導電型半導体層２３はマスク層７１の上では成長せず、マスク層７１が形成されていない非伝導性半導体層２４の上で成長する。
第１導電型半導体層２３は、垂直方向及び水平方向に成長するが、水平方向への成長速度が垂直方向への成長速度より小さいため、マスク層７１及びマスク層７１の真上には形成されない。したがって、図２に図示されているように、マスク層７１の上には第１周期でエアーギャップ７２が形成され、第１導電型半導体層２３内に第１フォトニック結晶７０が形成される。
この時、エアーギャップ７２上の第１導電型半導体層２３は、電位を殆ど含まない高品質の決定性を有するようになり、これによって、発光素子の内部量子効率（ＩＱＥ）が高まり、効率の高い発光素子が製作される。
図３に示しているように、第１導電型半導体層２３の上に活性層２２及び第２導電型半導体層２１を成長させ、発光半導体層２０を形成する。
そして、発光半導体層２０の上にオーミック接触層５１、反射層５２及び導電性基板５３を含む第２電極層５０を形成する。
図４に示しているように、基板１０を除去して非伝導性半導体層２４が露出されるようにする。
図５に示しているように、非伝導性半導体層２４を選択的に除去して第１導電型半導体層２３を露出させ、第１導電型半導体層２３の上に第１電極層６０を形成する。
また、非伝導性半導体層２４を選択的に除去して、非伝導性半導体層２４の上面に複数のホール４１を含む第２フォトニック結晶４０を形成する。
これによって、第１実施例による発光素子が製造される。
図６〜図１０は、第２実施例による発光素子及びその製造方法の説明図である。第２実施例による発光素子及びその製造方法の説明において、前述の第１実施例と重なる説明は省略することにする。
図１０に示しているように、第２実施例による発光素子は、第２電極層１５０と、第２電極層１５０の上に形成された発光半導体層１２０と、発光半導体層１２０の上に形成された第１電極層１６０と、発光半導体層１２０の上に形成された非伝導性半導体層１２４とを備える。
第２電極層１５０はオーミック接触層１５１、反射層１５２及び導電性基板１５３を含んでもよい。
発光半導体層１２０は第１導電型半導体層１２３、活性層１２２及び第２導電型半導体層１２１が含まれ、発光半導体層１２０はＧａＮ系の物質から形成されてもよい。
第１導電型半導体層１２３の上には第１電極層１６０が形成される。第１電極層１６０は第２電極層１５０と共に活性層１２２に電力を供給する。
非伝導性半導体層１２４は第１導電型半導体層１２３及び第２導電型半導体層１２１より電気伝導性が著しく低い物質から形成された半導体層であり、例えば、非伝導性半導体層１２４はＵｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層からなっていてもよい。
一方、第１導電型半導体層１２３内には、マスク層１７１とエアーギャップ１７２を含む第１フォトニック結晶１７０が形成される。エアーギャップ１７２は、マスク層１７１と第１導電型半導体層１２３により囲まれて形成される。マスク層１７１の上面及び側面は第１導電型半導体層１２３と接触し、マスク層１７１の下にエアーギャップ１７２が配置される。
マスク層１７１及びエアーギャップ１７２は、平均的に第１周期で配置される。ここで、第１周期はマスク層１７１の中心から隣接するマスク層１７１の中心までの距離の平均値である。エアーギャップ１７２はマスク層１７１の位置に対応して形成されるため、エアーギャップ１７２もマスク層１７１と同じく第１周期で配置される。
本発明では、第１周期はλ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下に設計される。ここで、ｎは第１導電型半導体層１２３の屈折率であり、λは活性層１２２から放出される光の波長である。
第１フォトニック結晶１７０は、活性層１２２から放出された光が、回折効果によって効率的に第１導電型半導体層１２３の上側に抽出されるようにすることができる。
また、第１フォトニック結晶１７０は、第１電極層１６０と第２電極層１５０の間に配置され、第２電極層１５０から第１電極層１６０の方向に流れる電流２００の方向を変化させる。即ち、第１フォトニック結晶１７０は、電流２００が第１電極層１６０の下側から垂直方向だけでなく、垂直方向及び水平方向に広がって流れるようにして、活性層１２２の広い領域にわたって光が発生できるようにする。よって、発光素子の発光効率を向上させることができる。
この時、第１フォトニック結晶１７０は、第１電極層１６０よりも第２電極層１５０に隣接した位置に配置される。
また、非伝導性半導体層１２４には、光抽出効率を向上させるための第２フォトニック結晶１４０を形成することができる。
第２フォトニック結晶１４０は、非伝導性半導体層１２４に複数のホール１４１を含む。本発明で、複数のホール１４１は第２周期で配置されてもよい。例えば、第２周期はλ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下に設計されてもよい。ここで、ｎは非伝導性半導体層１２３の屈折率であり、λは活性層１２２から放出される光の波長である。
第２フォトニック結晶１４０は、活性層１２２から放出された光が、回折効果によって効率的に非伝導性半導体層１２４の上側に抽出されるようにすることができる。
以下、図６〜図１０を参照して第２実施例による発光素子製造方法を説明する。図６に示しているように、基板１１０の上に非伝導性半導体層１２４を形成し、非伝導性半導体層１２４の上に第１導電型半導体層１２３を形成する。そして、第１導電型半導体層１２３の上にマスク層１７１を形成する。マスク層１７１は第１導電型半導体層１２３の上に選択的に形成され、第１周期を有するように配置される。
例えば、マスク層１７１は、ＳｉＯ２をＰＥＣＶＤで蒸着した後パターニングして形成することができ、第１周期は、λ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下に設計される。ここで、ｎは第１導電型半導体層１２３の屈折率であり、λは活性層１２２から放出される光の波長である。
図７に示しているように、マスク層１７１が形成された第１導電型半導体層１２３の上に第１導電型半導体層１２３をさらに成長させる。第１導電型半導体層１２３はマスク層１７１の上では成長せず、マスク層１７１が形成されていない第１導電型半導体層１２３の上で成長する。
第１導電型半導体層１２３は、垂直方向及び水平方向に成長するが、水平方向への成長速度が垂直方向への成長速度より小さいため、マスク層１７１及びマスク層１７１の真上には形成されない。したがって、図７に図示されているように、マスク層１７１の上には第１周期でエアーギャップ１７２が形成され、第１導電型半導体層１２３内に第１フォトニック結晶１７０が形成される。
この時、エアーギャップ１７２上の第１導電型半導体層１２３は、電位を殆ど含まない高品質の決定性を有するようになり、これによって、発光素子の内部量子効率が高まり、効率の高い発光素子が製作される。
図８に示しているように、第１導電型半導体層１２３の上に活性層１２２及び第２導電型半導体層１２１を成長させ、発光半導体層１２０を形成する。
そして、発光半導体層１２０の上にオーミック接触層１５１、反射層１５２及び導電性基板１５３を含む第２電極層１５０を形成する。
図９に示しているように、基板１１０を除去して非伝導性半導体層１２４が露出されるようにする。
図１０に示しているように、非伝導性半導体層１２４を選択的に除去して第１導電型半導体層１２３を露出させ、第１導電型半導体層１２３の上に第１電極層１６０を形成する。
これによって、第２実施例による発光素子が製造される。
以上、本発明を実施例を中心に説明したが、これらの実施例は本発明を限定するものではない。本発明の精神と範囲を離脱することなく、多様な変形と応用が可能であることは、当業者によって明らかである。例えば、本発明の実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施することができるものであり、このような変形と応用に係る差異点は、添付の特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
１０ 基板、 ２０ 発光半導体層、 ２１ 第２導電型半導体層、 ２２ 活性層、 ２３ 第１導電型半導体層、 ２４ 非伝導性半導体層、 ４０ 第２フォトニック結晶、 ４１ ホール、 ５０ 第２電極層、 ５１ オーミック接触層、 ５２ 反射層、 ５３ 導電性基板、 ６０ 第１電極層、 ７０ 第１フォトニック結晶、 ７１ マスク層、 ７２ エアーギャップ。
Claims (13)
- 第２電極層と、
前記第２電極層の上に第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層の上に活性層と、
前記活性層の上に第１フォトニック結晶が形成された第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層の上に第２フォトニック結晶が形成された非伝導性半導体層と、
前記第１導電型半導体層の上に設けられた第１電極層と、
を備えることを特徴とする発光素子。 - 前記非伝導性半導体層は、前記第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層より電気伝導性が低い物質から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記非伝導性半導体層はＵｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
- 前記第２フォトニック結晶は、複数のホール又は柱を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１フォトニック結晶は、前記第１導電型半導体層の内部に配置され、前記第１導電型半導体層の屈折率より低い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１フォトニック結晶は、前記第１導電型半導体層の内部に一部分配置され、前記第１導電型半導体層の屈折率より低い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１フォトニック結晶は、ｎを前記第１導電型半導体層の屈折率とし、λを前記活性層から放出される光の波長としたとき、λ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下の周期に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第２フォトニック結晶は、ｎを前記第１導電型半導体層の屈折率とし、λを前記活性層から放出される光の波長としたとき、λ／ｎ以上及び１０λ／ｎ以下の周期に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１フォトニック結晶は、マスク層及びエアーギャップを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記エアーギャップは、前記マスク層及び第１導電型半導体層により囲まれて形成されることを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
- 前記マスク層の上面は、前記第１導電型半導体層の上面と面一に配置されることを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
- 前記マスク層の上面及び側面は前記第１導電型半導体層と接触し、前記マスク層の下面は前記エアーギャップに向かい合うことを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
- 前記マスク層はＳｉＯ２を含むことを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
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