JP5626800B2 - Ｌｅｄ基板及びｌｅｄ - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード(LED: Light Emitting Diode)基板に関する。とりわけ、本発明は、高い光取り出し効率を有するLED基板と、該LED基板を用いるLEDとに関する。
LEDは、化合物半導体によって製造される発光デバイスであり、電気エネルギーを、電子と正孔との結合を介して光に変換することができる。LEDは、冷光源に属しており、低消費電力、ウォームアップ時間が無いこと、長寿命、及び高速の応答速度などの利点を有する。さらに、LEDは、高い耐衝撃性の特徴を有し、大量生産に適し、結果的に極小型デバイス又はアレイデバイスを製造するための適用要件を容易に満たす。
LEDの応用範囲及び将来性を拡大するために、LEDの発光輝度を向上させることが本研究の目的の1つである。理想的なLEDにおいて、活性領域内のキャリアが光子と再結合した後に、これら全ての光子を外部に伝播させることができれば、このようなLEDの発光効率は100%となる。しかしながら、様々な減少メカニズムに起因して、活性領域内で生成される光子を、100%外部に伝播させることはできない。
LEDの発光効率を向上させるために、パターン化されたLED基板、例えば複数の円錐又は台構造により形成されるLED基板が、LEDから放出される光を散乱させ、全反射を低減させるために用いられる。
本発明は、高い発光効率を有する発光ダイオード(LED)基板に指向したものである。
本発明は、上記LED基板を用いるLEDも提供する。
本発明は、LED基板を提供し、該LED基板は、複数の上部三角・下部六角テーパー部からなる表面を有するサファイア基板を備え、上記上部三角・下部六角テーパー部の各々は、六角テーパー部とこの六角テーパー部上の三角テーパー部からなり、上記上部三角・下部六角テーパー部どうしの間隔幅は、10μm未満である。
本発明の好適例では、上記上部三角・下部六角テーパー部どうしの間隔幅は、1μｍ〜4μｍである。
本発明の好適例では、上記上部三角・下部六角テーパー部の各々の最大高さは、1μｍ〜2μｍであり、1.5μｍ〜2μｍであることが好ましい。
本発明の好適例では、上記三角テーパー部の最上部は、平面又は尖端である。
本発明の好適例では、上記三角テーパー部の対称断面は、第1の底角と第2の底角とを有し、第2の底角は第1の底角より大きく、第2の底角は28度〜32度である。
本発明の好適例では、上部に上記三角テーパー部を有する上記六角テーパー部の対称断面は、第3の底角及び第4の底角を有し、第4の底角は第3の底角より大きく、第4の底角は50度〜70度である。
本発明の好適例では、上記サファイア基板の表面は、(0001)面を含み、上記(0001)面の面積は、上記サファイア基板の表面の投影面積の約10〜60%であり、10〜30％であることが好ましい。
本発明は、さらに上記サファイア基板を含むLEDを提供し、該LEDは、上記サファイア基板上に積層された第1の半導体層と、上記第1の半導体層上に積層された発光層と、上記発光層上に積層された第2の半導体層と、上記第1半導体層に接触する第1のオーム電極と、上記第2の半導体層に接触する第2のオーム電極とを備える。
本発明の好適例では、上記第1の半導体層、上記発光層、及び上記第2の半導体層は、III-V族半導体、例えば、窒化ガリウム半導体を含む。
本発明の好適例では、上記第1のオーム電極及び上記第2のオーム電極は、それぞれ、Ni、Pb、Co、Fe、Ti、Cu、Rh、Au、Ru、W、Zr、Mo、Ta、Ag、これらの酸化物、及びこれらの窒化物からなるグループから選択される少なくとも1つの合金又は多層フィルムである。
本発明の好適例では、上記第1のオーム電極及び上記第2のオーム電極は、それぞれ、Rh、Ir、Ag、及びAlからなるグループから選択される合金又は多層フィルムである。
以上の開示によれば、上記サファイア基板は、複数の上部三角・下部六角テーパー部からなる発光面を有し、該上部三角・下部六角テーパー部の9つの表面は、光を散乱させ、該基板の発光効率を向上させるために用いることができる。
本発明の上記及びその他の特徴及び利点を理解するために、以下、図面を伴ういくつかの例示的な実施形態を、詳細に説明する。
図面は、本発明のさらなる理解をもたらすために含め、本明細書に含まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の実施形態を例示し、明細書の記載と共に本発明の原理を説明する働きをする。
図1は、本発明の第1実施形態による発光ダイオード（LED）の3次元図である。図1には、サファイア基板100を示す。サファイア基板100は、複数の上部三角・下部六角テーパー部102からなる表面104を含み、上部三角・下部六角テーパー部102の各々は、六角テーパー部106と、六角テーパー部106上の三角テーパー部108からなり、上部三角・下部六角テーパー部102どうしの間隔幅Pは、10μm未満であり、1μm〜4μｍであることが好ましい。ここで、「間隔幅」とは、隣接する2つの上部三角・下部六角テーパー部102間の距離を称する。
図1では、三角テーパー部108の最上部108ａは、尖端である。しかしながら、本発明は、これに限定されない。三角テーパー部108の最上部108ａは、平坦面とすることもできる。しかし、尖端の方がより良い発光効率を有することができる。例えば、サファイア基板100の表面104は、(0001)面（すなわち図1にて点が分布した表面）を含み、(0001)面の面積は、表面104の投影面積の10〜60%であり、10〜30%であることが好ましい。 (0001)面の面積が表面104の投影面積の60%より大きい場合、発光効率の増加量は恐らくは低い。しかし、(0001)面の面積が表面104の投影面積の10%未満である場合は、エピタキシーが困難になる場合がある。
図2Aは、本発明の第1実施形態による単一の上部三角・下部六角テーパー部の3次元図である。図2Bは、図2Aの上部三角・下部六角テーパー部のB-B線に沿った断面図である。
図2A及び図2Bにおいて、上部三角・下部六角テーパー部200の最大高さhは、例えば、上部三角・下部六角テーパー部200の間隔幅に比例する。ここで、「最大高さ」とは、三角テーパー部202の最上部と六角テーパー部204の最下部との間の距離を称する。本実施形態では、上部三角・下部六角テーパー部200の最大高さは、例えば、1μm〜2μmであり、1.5μm〜2μmであることが好ましい。上部三角・下部六角テーパー部200の最大高さが2μmを越えている場合、エピタキシーが困難になる場合がある。上部三角・下部六角テーパー部200の三角テーパー部202の対称断面は、第1の底角a1と第2の底角a2とを有する。第2の底角a2は第1の底角a1より大きく、第2の底角a2は、例えば28度〜32度である。六角テーパー部204の対称断面は、第3の底角a3と第4の底角a4とを有する。ここで、第4の底角a4は第3の底角a3より大きく、第4の底角a4は50度〜70度であり、55度〜65度であることが好ましい。
第1実施形態のLED基板を製造するための2つの実験例を、以下に説明する。
図3A〜3Dは、第1実施形態のLED基板の製造フローを示す概略図である。
図3Aに示すように、まず、サファイア基板300を用意し、次に、パターンを有するハードマスク302を、サファイア基板300上に形成する。次に、ハードマスク302とサファイア基板300との間の粘着力を、必要に応じて、既存の技術により増強し、エッチング後の工程を助け、エッチング耐性能力を増加させることができる。
次に、約数分間のウェットエッチング工程を行う。図3Bに示すように、エッチング工程中に、まずサファイア基板300に六角テーパー配列の突起パターン304を形成する。
図3Cに示すように、ハードマスク302をエッチングして六角テーパー部306を形成した後、エッチング液は、サファイア基板300を継続的にエッチングし、六角テーパー部306上に三角テーパー部308を形成する。
時間が経つにつれて、六角テーパー部306の高さは、六角テーパー部306が無くなるまで、徐々に減少する。これにより、エッチングの停止時間は、六角テーパー部306と三角テーパー部310とからなる上部三角・下部六角テーパー部がサファイア基板300に形成されることを保証するように、制御される。図3Dにおいて、六角テーパー部306の大きい方の底角は58度であり、これにより六角テーパー部306の結晶面は
となる；三角テーパー部310の大きい方の底角は31度であり、これにより三角テーパー部308の結晶面は
となる。
となる；三角テーパー部310の大きい方の底角は31度であり、これにより三角テーパー部308の結晶面は
となる。
さらに、図3Bに示す工程の後、図3Eに示すように、ハードマスク302を随意的に除去することができる。その後、サファイア基板300に対する他の数分間のウェットエッチング工程を行い、図3Fに示すように、サファイア基板300上に六角テーパー部312及び三角テーパー部314を形成する。ここで、三角テーパー部314の最上部314aは、平面とすることができる。
本発明のLED基板を製造する実験例は、上述したとおりである。しかし、上記の工程は、本発明を限定すべく用いるものではない。当業者は、上記の説明により、本発明の構成を既存の技術を用いて製造することができる。
図4は、上記の工程により製造されたサファイア基板の走査型電子顕微鏡(SEM)写真であり、図5は、図4のLED基板の上面SEM写真である。図5によれば、上部三角・下部六角テーパー部の、六角テーパー部と、六角テーパー部上の三角テーパー部との間の境界を、明確に観ることができる。
図6は、本発明の第2実施形態によるLEDの断面図である。図6には、第1実施形態のサファイア基板100（図1を参照）と、サファイア基板100上に積層された第1の半導体層600と、第1の半導体層600上に積層された発光層602と、発光層602上に積層された第2の半導体層604と、第1の半導体層600に接触する第1のオーム電極606と、第2の半導体層604に接触する第2のオーム電極608とが示されている。本実施形態では、第1の半導体層600、発光層602、及び第2の半導体層604は、III-V族半導体、例えば窒化ガリウム半導体とすることができる。第1のオーム電極606及び第2のオーム電極608は、それぞれ、Ni、Pb、Co、Fe、Ti、Cu、Rh、Au、Ru、W、Zr、Mo、Ta、Ag、これらの酸化物、及びこれらの窒化物からなるグループから選択される少なくとも1つの合金又は多層フィルムである。さらに、第1のオーム電極606及び第2のオーム電極608の各々は、Rh、Ir、Ag、及びAlからなるグループから選択される合金又は多層フィルムともすることができる。
上記実施形態のLED基板の効果を検証するために、図6のLEDの発光効率を、異なるLED基板を用いてシミュレーション計算した。
シミュレーション試験
まず、第1の半導体層600はn-GaNであり、発光層602は多量子井戸(MQW: Multiple Quantum Well)構造をなし、第2の半導体層604はp-GaNであると仮定する。図7の従来の円錐からなる基板と、図8の従来の台構造からなる基板と、第1実施形態の上部三角・下部六角テーパー部からなる基板（図9を参照）とを含む、3種類のLED基板を用意する。図7及び図8の表面構造は、全てドライエッチング工程を通じて製造されている。
シミュレーション結果によれば、図7の発光効率が128.2%であり、図8の発光効率が130.5%であり、図9の発光効率が135.5%であることが判る。よって、発光効率に関しては、上部三角・下部六角テーパー部からなる基板は、従来の台構造からなる基板及び従来の円錐からなる基板より良好である。
要約すると、本発明のLED基板において、複数の上部三角・下部六角テーパー部からなるサファイア基板は、発光面として働き、上部三角・下部六角テーパー部が形成する9つの表面は、光を散乱させるために用いることができる。したがって、本発明のLED基板を用いたLEDの発光効率が向上する。
本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明の構造に様々な変更及び変形を加え得ることは、当業者にとって明らかである。以上により、本発明の変更例及び変形例が以下の特許請求の範囲及びこれと等価なものに含まれる限り、本発明は、該変更例及び変形例を包含する。
Claims (20)
- 発光ダイオード(LED)基板であって、
複数の上部三角・下部六角テーパー部からなる表面を有するサファイア基板を備え、
前記上部三角・下部六角テーパー部の各々は、六角テーパー部と、該六角テーパー部上の三角テーパー部とからなり、
前記上部三角・下部六角テーパー部どうしの間隔幅は10μm未満であり、
前記三角テーパー部の最上部は、平面であり、
前記三角テーパー部の対称断面は、第1の底角と第2の底角とを有し、
前記第2の底角は、前記第1の底角より大きく、
前記六角テーパー部の対称断面は、第3の底角と第4の底角とを有し、
前記第4の底角は、前記第3の底角より大きく、
前記六角テーパー部の底面は六角形であり、
前記三角テーパー部の底面は三角形であることを特徴とするLED基板。 - 前記上部三角・下部六角テーパー部どうしの間隔幅は、1μｍ〜4μｍであることを特徴とする請求項1に記載のLED基板。
- 前記上部三角・下部六角テーパー部の各々の最大高さは、1μｍ〜2μｍであることを特徴とする請求項1に記載のLED基板。
- 前記上部三角・下部六角テーパー部の各々の最大高さは、1.5μｍ〜2μｍであることを特徴とする請求項3に記載のLED基板。
- 前記第2の底角は、28度〜32度であることを特徴とする請求項1に記載のLED基板。
- 前記第4の底角は、50度〜70度であることを特徴とする請求項1に記載のLED基板。
- 前記表面は、(0001)面を含み、
前記(0001)面の面積は、前記表面の投影面積の10〜60%であることを特徴とする請求項1に記載のLED基板。 - 前記表面は、前記(0001)面を含み、
前記(0001)面の面積は、前記表面の投影面積の10〜30%であることを特徴とする請求項7に記載のLED基板。 - 発光ダイオード(LED)であって、
複数の上部三角・下部六角テーパー部からなる表面を有するサファイア基板と、
前記サファイア基板上に積層された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に積層された発光層と、
前記発光層上に積層された第2の半導体層と、
前記第1半導体層に接触する第1のオーム電極と、
前記第2の半導体層に接触する第2のオーム電極とを備え、
前記上部三角・下部六角テーパー部の各々は、六角テーパー部と、該六角テーパー部上の三角テーパー部とからなり、
前記上部三角・下部六角テーパー部どうしの間隔幅は10μｍ未満であり、
前記三角テーパー部の最上部は、平面であり、
前記三角テーパー部の対称断面は、第1の底角と第2の底角とを有し、
前記第2の底角は、前記第1の底角より大きく、
前記六角テーパー部の対称断面は、第3の底角と第4の底角とを有し、
前記第4の底角は、前記第3の底角より大きく、
前記六角テーパー部の底面は六角形であり、
前記三角テーパー部の底面は三角形であることを特徴とするLED。 - 前記上部三角・下部六角テーパー部どうしの間隔幅は、1μｍ〜4μｍであることを特徴とする請求項9に記載のLED。
- 前記上部三角・下部六角テーパー部の各々の最大高さは、1μｍ〜2μｍであることを特徴とする請求項9に記載のLED。
- 前記上部三角・下部六角テーパー部の各々の最大高さは、1.5μｍ〜2μｍであることを特徴とする請求項11に記載のLED。
- 前記第2の底角は、28度〜32度であることを特徴とする請求項9に記載のLED。
- 前記第4の底角は、50度〜70度であることを特徴とする請求項9に記載のLED。
- 前記表面は、(0001)面を含み、
前記(0001)面の面積は、前記表面の前記投影面積の10〜60%であることを特徴とする請求項9に記載のLED。 - 前記表面は、前記(0001)面を含み、
前記(0001)面の面積は、前記表面の前記投影面積の10〜30%であることを特徴とする請求項15に記載のLED。 - 前記第1の半導体層、前記発光層、及び前記第2の半導体層は、III-V族半導体を含むことを特徴とする請求項9に記載のLED。
- 前記III-V族半導体は、窒化ガリウム半導体であることを特徴とする請求項17に記載のLED。
- 前記第1のオーム電極及び前記第2のオーム電極は、それぞれ、Ni、Pb、Co、Fe、Ti、Cu、Rh、Au、Ru、W、Zr、Mo、Ta、Ag、これらの酸化物、及びこれらの窒化物からなるグループから選択される少なくとも1つの合金又は多層フィルムであることを特徴とする請求項9に記載のLED。
- 前記第1のオーム電極及び前記第2のオーム電極は、それぞれ、Rh、Ir、Ag、及びAlからなるグループから選択される合金又は多層フィルムであることを特徴とする請求項9に記載のLED。
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