JP5727320B2 - エピタキシャル層を有するＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ - Google Patents

Description

本発明は一般的に発光ダイオードに関し、より具体的にはＡｌＧａＩｎＮをベースにした発光ダイオードであって、光抽出率を改善するために厚いエピタキシャル層を有するＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は光スペクトル中の特定領域にピーク波長を持つ光を生成することが出来る固体素子として知られている。ＬＥＤは代表的には発光体、インジケータ及びディスプレイとして用いられる。窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）をベースにしたＬＥＤは他の従来型のＬＥＤよりも高い光度で可視光スペクトル中の青及び緑領域内にピーク波長を持つ。ＡｌＧａＩｎＮをベースにしたＬＥＤは、その優れた光度により近年注目を集めている。

図１は、従来技術によるＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの一例を概略的に描いたものである。ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ１０はサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板１２及び多層エピタキシャル構造１４を含む。多層エピタキシャル構造は上部ＡｌＧａＩｎＮ領域１６、活性領域１８及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域２０を含む。「ＡｌＧａＩｎＮ」という語は本願において用いられる場合、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素を含むグループからの１つ以上の元素により構成された材料と定義する。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は複数のＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層から構成される。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｐ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層から成り、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｎ型及び／又はドーピングされていないＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層から成る。活性領域は、一般的に量子井戸と呼ばれるものを形成する窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）の１つ以上の層を含む。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域の代表的な厚さは０．５μｍよりも薄いが、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の代表的な厚さは約２〜３μｍである。活性領域の厚さは代表的には０．２μｍ未満である。従って、多層エピタキシャル構造体の代表的な最高厚は約３．７μｍである。

上部ＡｌＧａＩｎＮ領域１６にはオームｐ接触２２が接続しており、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域２０の上面にはオームｎ接触２４が接続している。オーム接触は多層エピタキシャル構造１４の活性領域１８を通じる電気伝導を提供するものである。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域の上面に位置し、オームｐ接触に電気的に接続しているのは半透明の金属層２６である。半透明金属層は酸化ニッケル及び金から作ったもので良い。半透明金属層は電流スプレッダーとして機能し、活性領域の面積全体に電流を分配する。サファイア基板１２と導電性構造体の間に位置するのは緩衝層２８である。緩衝層は、確実に下部ＡｌＧａＩｎＮ領域がサファイア基板上で適正な成長をするように遷移層として作用する。緩衝層はＡｌＧａＩｎＮベース材料から作られる。

発光作用の間はオーム接触２２及び２４へと電圧が印加されており、ＬＥＤ１０に順方向バイアスがかかっている。ＬＥＤに順方向バイアスがかけられた状態においては、上部ＡｌＧａＩｎＮ領域１６から活性領域１８へと正孔が注入される。更に、この順方向バイアス状態により下部ＡｌＧａＩｎＮ領域２０から電子も活性領域へと注入される。活性領域の量子井戸内において、注入された正孔と電子が再結合し、これにより光が放出される。発生した光は、活性領域中に描いた矢印が示すようにあらゆる方向へと放出される。放出された光の一部は半透明金属層を通じてＬＥＤ上面から出力光として出て行く。更に、光の一部は基板１２中へと放射され、素子の側面から出て行く。しかしながら、放射された光の多くは多層エピタキシャル構造体１４内部から、サファイア基板の上面及びＬＥＤを覆う封止用のエポキシ層（図示せず）で反射した後、ＬＥＤの側面から出て行くようになっていなければならない。このような放射光経路の一例を３０として図示した。ＬＥＤの全体的光出力としては、上面及び基板を介して出て行く部分は勿論、多層エピタキシャル構造体の側面を介して出た放射光部分も含まれる。

ＬＥＤ１０のようなＡｌＧａＩｎＮベースのＬＥＤからの光の抽出は、ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層内の、或はその周囲に存在する様々な寄生光学損失メカニズムにより制約される。これらのメカニズムには、半透明金属層２６での吸収や、緩衝層２８、活性領域１８及びＭｇを多量に添加したＧａＮ接触層１６といったＬＥＤのエピタキシャル部を構成する多数の層内で生じる吸収が含まれる。多層エピタキシャル構造の屈折率（ｎ＝２．４）とサファイア基板（ｎ＝１．７７）又は封止用エポキシ層（ｎ＝１．５）の屈折率との間には落差がある為、活性領域内で生じた光のうち、エポキシ又は基板中へと（最初にこれらの界面に達した時点で）逃げるのは２５％程度だけである。残りの光はチップ上の封止用エポキシ層と基板により形成される導波路中に閉じ込められる。閉じ込められた光がＬＥＤの側面から出る迄には、チップ長程度の距離を移動しなければならない。この距離の間、ＬＥＤ構造中にある様々な損失メカニズムにさらされなければならず、吸収される確率が高くなる。従って、この閉じ込められた光の多くは結局失われてしまい、ＬＥＤの全体的な光出力が低下する。

従って、様々な損失メカニズムで失われる放射光の量を低減し、これにより素子の全体的出力を増大させるＡｌＧａＩｎＮベースのＬＥＤ構造が必要とされているのである。

本発明は、素子の光抽出効率を向上させる厚い多層エピタキシャル構造を採用した発光ダイオード（ＬＥＤ）及びその製造方法である。ＬＥＤは窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）をベースにしたＬＥＤである。厚い多層エピタキシャル構造により、厚い多層エピタキシャル構造の側面を介して素子を出る放射光の量が増大し、素子の光抽出効率が高くなる。

このＬＥＤは基板、緩衝層及び厚い多層エピタキシャル構造を含む。基板はサファイアで作られたものが好ましい。基板又は基板上の成長層（そのような層を設けた場合）の屈折率が多層ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル構造の屈折率（効果的にはｎが約２．４程度）よりも充分低くさえあれば、エピタキシャル層の厚みを増すことによる光抽出効率の改善は得られる為、他の基板を使用することも可能である。本願の説明においては、異なる基板であっても、その基板又はその上の成長層の屈折率が２．１未満であれば光抽出効率の大幅な改善が期待できるものとする。更に、基板に酸化亜鉛、ニ酸化珪素又は他の誘電体を設けて成長中に特定の特性を持たせるようにしても良い。推奨される実施例においては、基板の上面に特定のテキスチャを持たせており、この面に当たる光がランダム化されるようになっている。例えば、この面を比較的に粗い研磨粒子で研磨することにより機械的にテキスチャを作ることが出来る。緩衝層は、基板上にＡｌＧａＩｎＮベース材料の層をエピタキシャル成長させることにより形成される。緩衝層は、多層エピタキシャル構造を基板上に適正に成長させる為の遷移層としての働きを持つ。

多層エピタキシャル構造は上部ＡｌＧａＩｎＮ領域、活性領域及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を含む。上部及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は複数のＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層を含む。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層から成り、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｎ型ＡｌＧａＩｎＮ層及びドーピングされていないエピタキシャル層から成る。ドーピングされていないエピタキシャル層は、ＡｌＧａＩｎＮ層としても、ＡｌＧａＩｎＮを基本成分とした他の材料の層としても良い。活性領域は、量子井戸を形成する少なくとも１つのＡｌＧａＩｎＮ発光層を含む。可視スペクトルＬＥＤに関しては、発光層は代表的にはＩｎＧａＮから構成される。この多層エピタキシャル構造は、従来型の多層エピタキシャル構造よりも厚い。この多層エピタキシャル構造は、約４μｍ以上の厚さを持つ。一実施例においては、多層エピタキシャル構造の厚さは約７μｍある。他の実施例においては、多層エピタキシャル構造の厚さが１５μｍである。しかしながら、多層エピタキシャル構造の厚さは１５μｍよりも大きくてもかまわない。

多層エピタキシャル構造の厚さを大きくすることにより、基板上面とＬＥＤを覆う封止用エポキシ層の底面とで形成される導波路中に閉じ込められた光が、より少ない反射回数で多層エピタキシャル構造の側面を通じてＬＥＤから出るようになる。具体的には、多層エピタキシャル構造の大きい厚みにより、基板の上面又は封止用エポキシ層の底面のいずれかにおいて１回反射するだけで多層エピタキシャル構造の側面から出て行く光の量を増やすことが出来るのである。閉じ込められた光の反射回数を減らすことにより、ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層内部又はその周囲に存在する様々な寄生光学損失メカニズムにより吸収される光の量が低減される。この低減の効果は、ＬＥＤの全体的な光出力の増大として現れる。

従来技術によるＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの概略図である。 本発明に基づく、厚い多層エピタキシャル構造を持つＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの概略図である。 数値的光線追跡モデリング計算から得られた、抽出効率対厚さのグラフである。 多層エピタキシャル構造が、それぞれ３．２μｍ及び１８．２μｍの厚さを持つ３００ｘ４００μｍ²のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの、上部のＡｕ半透明金属層の厚さが異なるものについての相対的抽出効率である。 ＡｌＧａＩｎＮ／基板界面にテクスチャをつけた３００ｘ４００μｍ²のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの相対的光抽出効率をモデリングしたグラフである。 多層エピタキシャル構造の下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を７μｍ厚としたＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの光出力の測定データを示すグラフである。 図２の本発明に基づくＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの製造方法のフローチャートである。 本発明に基づく厚い多層エピタキシャル構造を持つ垂直注入型ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの概略図である。

図２を参照すると、ここには本発明に基づく窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）をベースとした発光ダイオード（ＬＥＤ）３２が示されている。ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤは、基板３４及び多層エピタキシャル構造３６を含む。図１に示したＬＥＤ１０の多層エピタキシャル構造１４のような従来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの多層エピタキシャル構造と比較すると、ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ３２の多層エピタキシャル構造３６は著しく厚い。多層エピタキシャル構造の厚みを増すことにより、活性領域３８で生じた光のうち、多層エピタキシャル構造の側面を介してＬＥＤ３２を出て行く光の量が増大する。厚い多層エピタキシャル構造がどのようにＬＥＤからの放射光を増大させるかを以下に説明する。

多層エピタキシャル構造３６は上部ＡｌＧａＩｎＮ領域４０、活性領域３８及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域４２を含む。上部及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は複数のＡｌＧａＩｎＮのエピタキシャル層を含む。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｐ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層から成り、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層及びドーピングされていないエピタキシャル層から成る。下部ＡｌＧａＩｎＮ領域中のｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層を含む部分を符号４４に示した。下部ＡｌＧａＩｎＮ領域中のドーピングされていないエピタキシャル層を含む部分は符号４６に示した。ドーピングされていないエピタキシャル層はＡｌＧａＩｎＮ層としても、又はＡｌＧａＩｎＮを基本成分とした他の材料から成る層としても良い。活性領域は量子井戸を形成する少なくとも１つのＡｌＧａＩｎＮ発光層を含む。可視光発光の場合、この発光層を窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）で作ることが出来る。多層エピタキシャル構造は約４μｍ以上の厚みを持つ。一実施例においては、多層エピタキシャル構造の厚さは約７μｍとした。他の実施例においては、多層エピタキシャル構造の厚みを約１５μｍとした。しかしながら、多層エピタキシャル構造の厚さは１５μｍより大きくてもかまわない。

数値的光線追跡モデリング計算から得られた抽出効率対エピタキシャル構造厚のグラフを、図３に示す。歪みに起因したクラック等の問題がある為、厚いＡｌＧａＩｎＮ構造上に高品質の活性領域を成長させることが出来るかは明確にはわからない。緩衝層や下部ＡｌＧａＩｎＮ層の組成及びドーピング条件（多量か微量か、ｎ型かｐ型か、或はドーピングしないか）の特定の選択をすれば、高品質活性領域が得られ、そして、実際に量子収量の向上が観測される。更にＡｌＧａＩｎＮ層又はＡｌＧａＩｎＮベースの超格子構造を使ってエピタキシャル構造内の張力と圧力のバランスを取り、活性領域の内部量子収量の低下原因となる欠陥の形成を抑制することにより、歪みも制御することが出来る。

多層エピタキシャル構造３６の厚さを増す為には、図２に示すように下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の厚さのみを増大させれば良い。しかしながら、他の形態も可能である。例えば上部ＡｌＧａＩｎＮ領域４０の厚さを増大させることによって多層エピタキシャル構造の厚さを増しても良い。かわりに上部４０及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域４２両方の厚さを大きくすることにより、多層エピタキシャル構造の厚さを増すことも出来る。

多層エピタキシャル構造３６と基板３４との間には、緩衝層４８がある。緩衝層は、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域４２と基板との間に確実に適切な接着を提供する働きを持つ。緩衝層は、ＡｌＧａＩｎＮをベースにした材料から作られる。基板はサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）であることが望ましい。エピタキシャル構造厚を大きくすることによる光抽出率の改善は、基板、又は基板上の成長層（そのような層を設けた場合）が多層ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル構造（効果的にはｎが約２．４）よりも充分に小さい屈折率を持っていれば得られる為、他の基板であっても利用可能である。この説明においては、異なる基板であってもその基板又はその上の成長層の屈折率が２．１よりも小さければ、大幅な光抽出率の改善が期待出来るものとする。更に基板は、成長中に特定の特性を提供する為の酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）又はその他の誘電体層を設けたものであっても良い。推奨される実施例においては、基板の上面にはテクスチャがつけられており、これにより活性領域３８から放出され、入射光がランダム化される。基板にテクスチャをつけると入射光が多層エピタキシャル構造の側面からＬＥＤを出る確率が高くなる。テクスチャを付けたサファイア基板上には、非テクスチャ基板と比較すると大幅に低いクラック発生率で厚いＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層（＞７μ）を成長させることが出来る。

ＬＥＤ３２はそれに電力を供給するオームｐ接触５０及びオームｎ接触５２を含む。オームｐ接触は多層エピタキシャル構造３６の上部ＡｌＧａＩｎＮ領域４０と電気的に結合し、オームｎ接触は下部ＡｌＧａＩｎＮ領域４６のｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層４４と電気的に結合している。下部ＡｌＧａＩｎＮ領域４６はドーピングされていなくても、或はｐ型であっても良く、その構造において随意に選択出来る。上部ＡｌＧａＩｎＮ領域上に成膜され、オームｐ接触に電気的に接続されているのは半透明金属層５４である。半透明金属層は活性領域３８の全面積にわたって電流を分配する為の電流スプレッダーとして機能する。半透明金属層は酸化ニッケル（ＮｉＯ）及び金（Ａｕ）から作ることが出来る。一実施例における半透明金属層の形成にはまず、Ｎｉ層を成膜するが、これはＮｉを成膜以前に酸化させる、或は成膜の間に酸化させることによりＮｉＯ層が形成される。次にＮｉＯ層の上にＡｕ層を成膜し、そしてこれら２層をアニールする。この処理により半透明金属層の形成を従来の半透明金属層よりも薄いＡｕ層を使って実施することが出来る。この推奨される実施例においては、半透明金属層５４を形成する為に使ったＡｕ層は約５０オングストロームの厚さを持っている。対照的に、従来の半透明金属層を形成する為に使用するＡｕ層の厚さは約１１３オングストロームである。ＮｉＯの後にＡｕを成膜するかわりに、反応性スパッタリング又は反応性蒸着技術を使って２つの材料を同時に成膜しても良い。

ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ３２の発光作用は図１のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ１０のような従来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤと同様である。ＬＥＤ３２を活動化させる為に電圧がオーム接触５０及び５２へと印加され、ＬＥＤに順方向バイアスがかかる。ＬＥＤに順方向バイアスがかかった状態になると、上部ＡｌＧａＩｎＮ領域４０から活性領域３８へと正孔が注入される。更にこの順方向バイアス条件下では下部ＡｌＧａＩｎＮ領域４２のｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層４４からも電子が活性領域へと注入される。活性領域の量子井戸内においては、注入された正孔及び電子が再結合し、これにより光が放出される。発生した光は、活性領域内の矢印に示されるようにあらゆる方向へと放射される。放射光の一部は半透明金属層５４を通って出力光としてＬＥＤを出て行き、また、放射光の一部は基板３４を通ってＬＥＤの外に出て行く。放射された光の他の部分は、基板３４の上面及びＬＥＤを覆う封止用エポキシ層（図示せず）の底面で反射した後に多層エピタキシャル構造３６の側面からＬＥＤ外に出て行く（このような放射光線の経路例を５６、５８及び６０に示す）。ＬＥＤの全体的光出力としては、上部から出て行く、或は基板から出て行く部分と同時にＬＥＤの側面を通って出て行く放射光も含まれる。

従来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤと同様、多層エピタキシャル構造３６の屈折率（ｎ＝２．４）と基板３４（サファイアの場合ｎ＝１．７７）又は封止用エポキシ層の屈折率（１．５）との間の落差により、活性領域３８内で生じた光のうち、最初に界面へと達した時点でエポキシ又は基板へと逃げる部分はたったの２５％程度である。残りの光はチップ上の封止用エポキシ層と基板により形成される導波路内に閉じ込められる。閉じ込められた光は様々な損失メカニズムにさらされ、これにより多層エピタキシャル構造の側面を通ってＬＥＤ外に出て行くことが出来る光の量が低減する。これらの損失メカニズムには半透明金属層５４における吸収や、緩衝層４８、活性層３８及び多量のＭｇが添加された接触層等のＬＥＤ３２のエピタキシャル部を構成する多数の層内における吸収が含まれる。損失メカニズムを通過する度に吸収される確率が増すのである。

多層エピタキシャル構造３６の厚さを大きくすることにより、形成された導波路内に閉じ込められた光は、より小数の損失メカニズムを通過することで多層エピタキシャル構造の側面からＬＥＤ３２の外に出て行くことが出来る。具体的には、多層エピタキシャル構造の厚さを大きくすることにより、より多くの量の放射光が、図２の光線５６、５８、６０に示されるように基板３４の上面又は封止用エポキシ層の底面のいずれかでの最高１回の反射を経て多層エピタキシャル構造の側面から出て行くことが出来る。本願においては、このような光線を「ファースト・パス」抽出光と呼ぶ。

ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤからの光抽出の光線追跡モデリングにおいて、多層エピタキシャル構造の厚さを増すことで第１経路の光抽出率が改善されることが確認出来る。図４は、それぞれ３．２μｍ及び１８．２μｍの厚さの多層エピタキシャル構造を持つ３００ｘ４００μｍ²のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの相対的光抽出効率を示すものである。第１のケースにおいては、１１３オングストロームの厚さを持つＡｕ層を使って代表的な半透明金属層を形成した。このような半透明金属層２６は図１に示したものである。第二のケースにおいては、図２の半透明金属層５４のように、５０オングストロームの厚さに減じたＡｕ層を使って半透明金属層を形成した。データは、厚いＡｕと薄いＡｌＧａＩｎＮを使った場合（例えば１１３オングストローム厚のＡｕ層で形成した代表的な半透明金属層と３．２μｍ厚の従来型多層エピタキシャル構造を含むＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ）で正規化されている。留意すべきは、いずれのケースにおいても多層エピタキシャル構造厚を大きくした方が、抽出効率が通常の多層エピタキシャル構造のそれと比較して大幅に改善されているという点である。多層エピタキシャル構造厚の増大による抽出効率の改善は、これらのケースにおいては約＋２５〜３０％である。

ＡｌＧａＩｎＮ／サファイア界面に粗さを持たせた、即ちテクスチャを付けた素子の場合であっても、多層エピタキシャル構造の厚さを大きくすると光抽出効率が改善される。図５は、図４にて利用したものと同様であるがＡｌＧａＩｎＮ／サファイア界面にテクスチャをつけた素子の相対的光抽出効率をモデリングしたものである。テクスチャをつけたＡｌＧａＩｎＮ／サファイア界面は、そこに入射する光を０次反射に対して±１１°の標準偏差でランダム化する。多層エピタキシャル構造の厚みを増大させたことによる光抽出率の改善はこれらのケースにおいては２２〜２７％である。留意すべきは、図４と比較してテクスチャを付けたＡｌＧａＩｎＮ／サファイア界面により提供される抽出効率が図５では全体的に増えているという点である。

厚みを増した多層エピタキシャル構造３６を使用することによるＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ３２のパフォーマンスの更なる改善点としては、活性領域３８中の歪み及び欠陥密度の低減、内部量子収量の改善、そして出来ればウエハ特性の均一性の改善が含まれる。より厚い下部ＡｌＧａＩｎＮ領域（例えば７μｍ）を持つ素子には抽出効率問題だけに帰することが出来ない効率の向上が見られることを研究データは示している。これは下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の厚さを増大させる（例えば３μｍよりも大きくする）ことによりＬＥＤ構造において内部量子収量が改善されたことを示唆している。図６は、７μｍ厚の下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を持つＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの光出力測定データを示すものである。実線は薄い（４μｍ未満）エピタキシャル構造を採用した従来型のＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤのパフォーマンスを示す。測定された相対的外部量子収量の増加は１５〜４０％である。このような増加は、光抽出効率の改善だけでは説明しにくい。

本発明に基づくＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの製造方法を、図７を参照しつつ説明する。ステップ６２においては基板が用意される。基板はサファイアで作られたものが望ましい。基板、又はその上の成長層（このような層を設けた場合）が多層エピタキシャル構造の屈折率（効果的にはｎが約２．４）よりも充分に小さい屈折率を持ってさえいれば、エピタキシャル厚を増大させることによる光抽出率の改善を得ることが出来る為、他の基板を利用することも可能である。この説明においては、基板又は成長層の屈折率が２．１よりも小さければ異なる基板であっても光抽出率の著しい改善が期待できるものとする。更に、成長中に特定の特性を提供する為に基板に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）又は他の誘電体の層を設けても良い。次にステップ６５においては、基板の上面にテクスチャがつけられる。テクスチャづけは数ある技術のうちのいずれによって実施しても良い。例えば、表面を比較的に粗い研磨粒子で研磨することにより、機械的にテクスチャをつけることが出来る。このような工程においては、サファイアウエハを研磨車上に固定した金属製パック上に取り付ければ良い。次に研磨粒子を用いてサファイアに粗く研磨し、所望のテキスチャをつける。１μ未満のサイズの研磨粒子を利用することが出来る。この結果得られる基板は、その上面に突き当たる光をランダム化する。また、かわりに基板をウエット又はドライエッチング技術によりパターニングしても良い。更に他の手法として、前の成長工程で既に設けられているＡｌＧａＩｎＮ層にテクスチャをつけることも出来る。この層のテクスチャづけは、従来より周知の幾つかの手段により実施することが出来、後の工程で成長させるＬＥＤ構造用の成長面とすることが出来る。ステップ６６においては、基板上に緩衝層が成膜される。緩衝層はＡｌＧａＩｎＮをベースにした材料で作られる。

次に、ステップ６８において緩衝層上に多層エピタキシャル構造が形成される。一実施例においては、多層エピタキシャル構造のエピタキシャル層を有機金属気相エピタキシャル成長（ＯＭＶＰＥ）技術を用いて成長させることが出来る。他の実施例においては、エピタキシャル層を水素化物気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）技術を用いて成長させることが出来る。ＨＶＰＥ成長技術は、ＯＭＶＰＥと比べてスループットが高い（成長速度がより速い）という利点を持っており、成長構造中に厚いエピタキシャル層を採用する場合に便利である。多層エピタキシャル構造は約４μｍ以上の厚みを持っている。例えば、多層エピタキシャル構造は約７μｍの厚さを持っていても良い。しかしながら、多層エピタキシャル構造の厚さは約１５μｍ以上であってもかまわない。

多層エピタキシャル構造の形成工程には、ＡｌＧａＩｎＮをベースにした材料のエピタキシャル層を緩衝層上に成長させて行き、多層エピタキシャル構造の下部ＡｌＧａＩｎＮ領域、活性領域そして上部ＡｌＧａＩｎＮ領域を順番に形成することが含まれる。一実施例においては、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はＧａＮエピタキシャル層のみで形成される。他の実施例においては、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層及びＡｌＧａＩｎＮをベースにした他のエピタキシャル層から作られる。多層エピタキシャル構造の下部ＡｌＧａＩｎＮ領域には、３μｍを超える厚みを持たせることが望ましい。例えば、下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は約７μｍの厚さを持っていても良い。次にＬＥＤのオーム接触の形成等、更なる工程を実施し、ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤを完成する。

上述したフローにおいては、ＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造の基板との界面に随意選択によるテクスチャリングを行うことが含まれているが、テクスチャリングはＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造の上面にも実施可能であり、光抽出率を改善する為にはその方が好ましい。これは上面のオーム接触を形成する前又は後に実施することが出来る。

ＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤ３２は、半透明金属層５４を介して表面光を放射する素子として説明したが、ＬＥＤは半透明金属層のかわりに高い反射率を持つメタライズ層を有する反転素子とすることも出来る。この反転ＬＥＤにおいては、表面光は透明基板を通して放射される。

厚いＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造を採用したＡｌＧａＩｎＮベースＬＥＤの他の実施例は、図８に示した垂直注入構造である。ＬＥＤ構造７０においては、ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層７２、７４が活性領域７６の両側に、ｎ型又はｐ型層のいずれかが導電性基板７８に電気的に接続するように設けられている。導電性基板は珪素（Ｓｉ）のような不透明材料から構成されるものであっても良い。この基板は、元の成長基板（図示せず）を含むＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造８０を金属製のインターフェース層８２を挟んで導電性基板へとボンディングすることにより設けることが出来る。金属インターフェース層は基板とＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層との間にオーム接触８４、８６を介した電気接続を提供すると同時に基板とＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造とを接着する働きも持つ。ボンディング後、レーザーリフトオフや、ＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造と元の成長基板との間の犠牲層を含む選択的エッチング等、従来より周知の数ある技術のいずれかを使って元の成長基板が除去される。

元の成長基板を除去した後、ＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造８０の露出面８８にテクスチャをつけても良く、その後オーム接触８４を形成して垂直注入素子７０が完成する。上述したように、この説明においてはＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層の厚さを大きくすることにより、ＡｌＧａＩｎＮ／エポキシ界面とＡｌＧａＩｎＮ／金属層界面との間に閉じ込められた光に関わる損失を低減することでこの素子の抽出効率を増すことが出来る。ＡｌＧａＩｎＮ多層エピタキシャル構造は約４μｍ以上の厚さを持つ。多層エピタキシャル構造の厚さを、例えば約７μｍとしても良い。しかしながら、多層エピタキシャル構造の厚さは約１５μｍ以上あってもかまわない。

本発明の素子は厚い多層エピタキシャル構造により、厚い多層エピタキシャル構造の側面を介して素子を出る放射光の量が増大し、素子の光抽出効率を高くできる。また、エピタキシャル層の厚みを増すことによる光抽出効率の改善が得られる為、他の基板を使用することも可能である。さらに、本発明の素子では、多層エピタキシャル構造の厚さを大きくすることにより、基板上面と封止用エポキシ層の底面とで形成される導波路中に閉じ込められた光が、いずれかにおいて１回反射するだけで側面から出て行く光の量を増やすことができる。よって、光の反射回数を減らすことにより、ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層内部又はその周囲に存在する様々な寄生光学損失メカニズムにより吸収される光の量が低減され、ＬＥＤの全体的な光出力が増大する。

１０ ＡｌＩｎＧａＮベースＬＥＤ
１２ サファイア基板
１４ 多層エピタキシャル構造
１６ 上部ＧａＮ領域
１８ 活性領域
２０ 下部ＧａＮ領域
２２ オームｐ接触
２４ オームｎ接触
２６ 半透明金属層
２８ 緩衝層
３０ 光線経路例
３２ ＡｌＩｎＧａＮベースＬＥＤ
３４ 基板
３６ 多層エピタキシャル構造
３８ 活性領域
４０ 上部ＧａＮ領域
４２ 下部ＧａＮ領域
４４ ｎ型ＧａＮ層を含む部分
４６ ドーピングされていない層を含む部分
４８ 緩衝層
５０ オームｐ接触
５２ オームｎ接触
５４ 半透明金属層
５６、５８、６０ 光線経路例
６２ 基板を用意するステップ
６４ 基板上面にテクスチャをつけるステップ
６６ 基板上に緩衝層を成膜するステップ
６８ 緩衝層上に多層エピタキシャル構造を形成するステップ
７０ ｐ型Ｇａｎ領域上にＮｉＯ層を成膜するステップ
７２ ＮｉＯ層上にＡｕ層を成膜するステップ
７４ Ａｕ及びＮｉＯ層をアニールするステップ

Claims (21)

1. 屈折率が２．１よりも小さい基板と、該基板に結合した多層エピタキシャル構造と、を含むＡｌＧａＩｎＮ発光ダイオード素子であって、
   前記多層エピタキシャル構造が、上部ＡｌＧａＩｎＮ領域、活性領域及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を含み、前記上部及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域はアルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素からなる群より選択した少なくとも１元素で作られた複数のエピタキシャル層を含み、前記多層エピタキシャル構造が少なくとも４μｍの厚みを持ち、前記多層エピタキシャル構造の前記厚みによって、前記活性領域から放出された光のうち、前記多層エピタキシャル構造の側面を通じて抽出される光の量が増大し、
   前記基板の、前記多層エピタキシャル構造と結合させる面がテクスチャをつけられた面であり、前記テクスチャ面が、前記テクスチャ面上に突き当たる光のランダム化を促進することを特徴とするＡｌＧａＩｎＮ発光ダイオード素子。
2. 前記多層エピタキシャル構造の成長中に特定の特性を提供する為に前記基板に酸化亜鉛の層を設けることを特徴とする請求項１に記載の素子。
3. 前記多層エピタキシャル構造の成長中に特定の特性を提供する為に前記基板に二酸化珪素の層を設けることを特徴とする請求項１に記載の素子。
4. 前記多層エピタキシャル構造の成長中に特定の特性を提供する為に前記基板に誘電体の層を設けることを特徴とする請求項１に記載の素子。
5. 前記下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層及びドーピングされていないエピタキシャル層から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の素子。
6. 前記下部ＡｌＧａＩｎＮ領域は、３μｍよりも大きい厚みを持つことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の素子。
7. 前記基板の、前記多層エピタキシャル構造と結合させる前記面は、研磨粒子で機械的にテクスチャがつけられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の素子。
8. 前記基板の、前記多層エピタキシャル構造と結合させる前記面は、ウエット又はドライエッチングによりテクスチャがつけられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の素子。
9. 前記多層エピタキシャル構造の上面がテクスチャをつけられた面であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の素子。
10. 屈折率が２．１よりも小さい基板を用意するステップと、少なくとも４μｍの厚さを持つ多層エピタキシャル構造を前記基板上に形成するステップと、を含むＡｌＧａＩｎＮ発光ダイオード素子の製造方法であって、
    前記多層エピタキシャル構造を形成するステップが、上部ＡｌＧａＩｎＮ領域、活性領域及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を、窒化アルミニウムガリウムインジウムをベースにした材料の層を成膜することにより形成するステップを含み、前記活性領域が前記上部及び下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の間に形成され、前記多層エピタキシャル構造の厚みが、前記活性領域から放出された光のうち、前記多層エピタキシャル構造の側面を介して抽出される光の量を増大させる働きを持ち、前記基板の、前記多層エピタキシャル構造と結合させる面がテクスチャをつけられた面であり、前記テクスチャ面が、前記テクスチャ面上に突き当たる光のランダム化を促進することを特徴とする方法。
11. 前記下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を形成するステップが、前記下部ＡｌＧａＩｎＮ領域の厚みが３μｍよりも大きくなるように前記下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を形成するステップが、前記活性領域及び前記上部ＡｌＧａＩｎＮ領域を後の成長工程で有機金属気相エピタキシャル成長により形成する前に、水素化物気相エピタキシャル成長技術を用いて窒化ガリウムエピタキシャル層を成長させるステップを含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記多層エピタキシャル構造の成長中に特定の特性を提供する為に前記基板に酸化亜鉛の層を設けるステップを含むことを特徴とする請求項１０、１１又は１２に記載の方法。
14. 前記多層エピタキシャル構造の成長中に特定の特性を提供する為に前記基板に二酸化珪素の層を設けるステップを含むことを特徴とする請求項１０、１１又は１２に記載の方法。
15. 前記多層エピタキシャル構造の成長中に特定の特性を提供する為に前記基板に誘電体の層を設けるステップを含むことを特徴とする請求項１０、１１又は１２のいずれかに記載の方法。
16. 前記下部ＡｌＧａＩｎＮ領域を形成するステップが、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮエピタキシャル層及びドーピングされていないエピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記基板の、前記多層エピタキシャル構造と結合させる面に、研磨粒子で機械的にテクスチャをつけるステップを含むことを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記基板の、前記多層エピタキシャル構造と結合させる面に、ウエット又はドライエッチングによりテクスチャをつけるステップを含むことを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載の方法。
19. 前記多層エピタキシャル構造の上面にテクスチャをつけるステップを含むことを特徴とする請求項１０〜１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記多層エピタキシャル構造が、少なくとも７μｍの厚みを持つように構成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の素子。
21. 前記多層エピタキシャル構造が、少なくとも７μｍの厚みを持つように構成されたことを特徴とする請求項１０〜１９のいずれかに記載の方法。

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