JP2006339627A - 垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】垂直構造窒化物系半導体発光ダイオードの提供。
【解決手段】ｎ型電極１０６と、該ｎ型電極の下面に形成されており、その表面に一つ以上のラインからなる回折格子構造を持つｎ型窒化物系半導体層１０２と、該ｎ型窒化物系半導体層の下面に形成されている活性層１０３と、該活性層の下面に形成されているｐ型窒化物系半導体層１０４と、該ｐ型窒化物系半導体層の下面に形成されているｐ型電極１０７と、を含む垂直構造窒化物系半導体発光ダイオードを提供する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、高い外部量子効率を持つ垂直構造窒化物系半導体発光ダイオードに関する。

一般に、発光ダイオード（Light Emitting Diode；以下、‘ＬＥＤ’と称する。）は、小型、低消費電力、高い信頼性などの特性から、表示用光源として広く用いられているもので、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＰなどのＩＩＩ族及びＶ族の窒化物及びアセナイドを材料にしている化合物半導体（compound semiconductor）の使用が実用化されており、化合物半導体の材料を変更することによって赤色、黄色、緑色などの発光源を構成し多様な色の光を得ることができる。

一方、窒化物系半導体ＬＥＤから発生した光の効率は、内部量子効率と外部量子効率とに分けられるが、内部量子効率は活性層の設計や品質によって決定され、外部量子効率は、活性層から発生した光が窒化物系半導体ＬＥＤの外部へ放出される程度によって決定される。

以下、図１乃至図４を参照して、外部量子効率を向上させるための従来技術による窒化物系半導体ＬＥＤの構造について詳細に説明する。

図１は、従来技術による水平構造窒化物系半導体ＬＥＤの構造を示す断面図である。

図１を参照すると、従来のＬＥＤは、サファイア基板、ＧａＮバッファー層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層１０２、ＩｎＧａＮ活性層１０３、及びｐ型ＧａＮ層１０４が順次結晶成長されてなり、ＩｎＧａＮ活性層１０３及びｐ型ＧａＮ層１０４の一部がエッチングで除去され、底面にｎ型ＧａＮ層１０２の一部が露出される溝１０８が形成されている。

そして、ｐ型ＧａＮ層１０４上部の表面には、所定形状の表面格子が形成されており、溝１０８の底面に露出されたｎ型ＧａＮ層１０２上には、ｎ型電極１０６が形成されており、ｐ型ＧａＮ層１０４上には、透明電極１０５及びｐ型電極１０７が順次形成されている。

このように構成される従来のＬＥＤは、以下のように動作する。ｐ型電極１０７を通して注入された正孔は、ｐ型電極１０７から横方向に拡散され、ｐ型ＧａＮ層１０４からＩｎＧａＮ活性層１０３に注入され、ｎ型電極１０６を通して注入された電子は、ｎ型ＧａＮ層１０２からＩｎＧａＮ活性層１０３に注入される。こうして注入された正孔と電子は、ＩｎＧａＮ活性層１０３中で再結合し発光を引き起こす。このようにして発生した光は、透明電極１０５を通してＬＥＤの外へ放出される。

この従来ＬＥＤ構造では、ｐ型ＧａＮ層の表面に形成された所定形状の表面格子によって、透明電極１０５が平面部と空気の界面に対する法線からの角度が臨界屈折角よりも大きい光であっても、表面格子の形成された部分に入射すると、入射角度が臨界屈折角よりも小さくなる場合がある。このため、活性層で発生した光が全反射されず、ＬＥＤ外部に放出される確率が高まり、結果として外部量子効率が向上する。

このような従来のＬＥＤは、外部量子効率を向上させるために、リソグラフィ及びプラズマ乾式エッチング工程を用いて光を放出する表面格子が形成されている。

しかしながら、上記表面格子は、プラズマ乾式エッチングによってｐ型ＧａＮ層の表面に形成されるため、その形成の際にプラズマによる活性層の損傷及びｐ型ＧａＮ層表面の損傷を招き、ｐ型ＧａＮ層の接触抵抗を増加させるという問題があった。

そこで、図２及び図３に示すように、ＬＥＤのｎ型ＧａＮ層の表面に表面格子を形成する技術が提案された。図２は、従来技術による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの構造を示す断面図であり、図３は、従来技術による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの表面格子が配置される構造を示す平面図であり、図４は、図２に示す垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの問題点を説明するためのグラフである。

図２に示す従来のＬＥＤは、従来ｐ型ＧａＮ層の表面に形成してきた所定形状の表面格子３００が、レーザーリフトオフ（Laser Lift-Off：以下、‘ＬＬＯ’と称する。）によってサファイア基板が除去され露出されたｎ型ＧａＮ層の表面に形成されている。

すなわち、薄い厚さを持つｐ型ＧａＮ層でなく厚い厚さを持つｎ型ＧａＮ層にリソグラフィ及びプラズマ乾式エッチング工程を行い、外部量子効率を向上させるための表面格子３００を形成しているため、問題点とされてきたｐ型ＧａＮ層の損傷を防止しながらも、外部量子効率を向上させることが可能になった。

しかしながら、このような従来のＬＥＤは、外部量子効率を向上させるための表面格子を、図３に示すように、円形、四角形または六角形などの凸パターンまたは凹パターンに形成しているが、このように表面格子が複数個の凸パターンまたは凹パターンに形成されるとき、パターンとパターン間の距離（ｄ）が大きくなると、その間の幅に該当する領域において活性層で発生した光が部分的に全反射されてしまい、図４から確認できるように、外部量子効率が低くなるという問題があった。したがって、活性層で発生した光がＬＥＤの外部へ全部放出されることができず、よって、外部量子効率の向上には限界があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、ｐ型窒化物半導体層の損傷を招くことなく、外部量子効率を向上させられる表面格子構造を有する垂直構造窒化物系半導体発光ダイオードを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ｎ型電極と、前記ｎ型電極の下面に形成され、その表面に一つ以上のライン（line）からなる回折格子構造を有するｎ型窒化物系半導体層と、前記ｎ型窒化物系半導体層の下面に形成されている活性層と、前記活性層の下面に形成されているｐ型窒化物系半導体層と、前記ｐ型窒化物系半導体層の下面に形成されているｐ型電極を含む垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤを提供する。

また、本発明の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤ素子において、前記ｎ型電極は、前記回折格子構造の表面格子と重ならない位置に形成されることが好ましい。これは、前記ｎ型電極が前記回折格子構造の表面格子と重なって形成されると、ｎ型電極の接触面が表面格子によって粗さを持つことになり、よって、電気的な特性が低くなる、すなわち、ｎ型電極を通してｎ型窒化物半導体層に流入する電流の抵抗が増加するという問題につながるためである。

また、本発明の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤ素子において、前記ｎ型電極は、前記ｎ型窒化物系半導体層の中央部に位置することが好ましい。これは、ｎ型電極を通して下部半導体層に伝達される電流の分配を均一にするためである。

また、本発明の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤ素子において、前記ｎ型窒化物半導体層の表面に形成された回折格子構造のラインは、直線、曲線及び単一閉曲線よりなる群から選ばれたいずれか一つのラインからなり、そのラインの端部幅は、ＬＥＤから放出される光の屈折特性を向上させるために、前記活性層によって発光される発光源の波長の大きさと等しいか大きいことが好ましい。こうしてＬＥＤから放出される光が優れた屈折特性を有すると、光の低い屈折特性によってＬＥＤ内で乱反射され消滅する光の量が最小限に抑えられる。

また、本発明の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤ素子において、前記ｐ型電極の下面に支持基板をさらに形成し、垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤを支持させることが好ましい。

また、本発明の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤ素子において、前記ｐ型電極と支持基板間の界面に接触層をさらに形成し、前記ｐ型電極と支持基板の接着力を向上させることが好ましい。

また、本発明の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤ素子において、前記ｐ型窒化物系半導体層と前記ｐ型電極間の界面に接触層をさらに含むことが好ましい。

また、上記目的を達成するために、本発明は、ｎ型電極と、前記ｎ型電極の下面に形成されており、その表面に二つ以上のラインが一つ以上の点で交差する網格子構造を有するｎ型窒化物系半導体層と、前記ｎ型窒化物系半導体層の下面に形成されている活性層と、前記活性層の下面に形成されているｐ型窒化物系半導体層と、前記ｐ型窒化物系半導体層の下面に形成されているｐ型電極を含む垂直構造窒化物系発光ダイオードを提供する。

上記本発明の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤ素子において、前記ｎ型電極は、前記網格子構造の表面格子と重ならない位置に形成されることが好ましい。

このように、本発明は、外部量子効率を向上させるための表面格子を、ｎ型電極と接するｎ型窒化物半導体層の表面に形成するものの、円形、四角形または六角形などの凸パターンまたは凹パターンに形成せず、パターンとパターン間の距離を最小化する回折格子または網格子構造を持つように形成し、ＬＥＤの外部量子効率を極大化することができる。

本発明は、垂直構造窒化物系半導体発光ダイオードにおいてｎ型窒化物系半導体層の表面に回折格子または網格子構造からなる表面格子を形成するため、表面格子のパターン同士間の距離を最小化でき、これによって、活性層で発生した光が部分的に全反射されて外部量子効率を低下させる従来技術の問題点を克服することが可能になる。

したがって、本発明は、窒化物系半導体発光ダイオードの外部量子効率を大きく向上させることができ、結果として窒化物系半導体発光ダイオード及びこれを採用する製品の品質向上に大きく寄与できるという効果が得られる。

以下、添付した図面を参照しつつ、本発明に係る垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの好適な実施形態を、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者が容易に実施できるように詳細に説明する。

図面中、多数の層及び領域は、明確な図示のためにその厚さを拡大し、同一の構成要素については同一の参照符号を共通使用するものとする。

以下、本発明の一実施形態による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤについて、図５乃至図１０を参照しつつ詳細に説明する。

まず、図５及び図６を参照して、本発明の一実施形態による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤについて詳細に説明する。

図５は、本発明の実施形態による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図で、図６は、図５に示す垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの表面格子が配置される構造を示す平面図である。

図５及び図６を参照すると、本発明による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの最上部には、Ｔｉ／Ａｌなどからなるｎ型電極１０６が形成されている。

ｎ型電極１０６の下面には、ｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３及びｐ型窒化物半導体層１０４が順次積層されている。

ここで、ｎ型電極１０６は、下部のｎ型窒化物半導体層１０２のいずれの箇所に形成されても構わないが、このｎ型電極１０６を通して下部のｎ型窒化物半導体層１０２に伝達される電流の分配を均一にするためには、ｎ型窒化物系半導体層１０２の中央部に形成されることが好ましい。

また、ｎ型またはｐ型窒化物半導体層１０２，１０４はそれぞれ、導電型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であり、活性層１０３は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層から構成された多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well）であってもよい。

実施形態１
本発明の実施形態１によるｎ型電極１０６と接するｎ型窒化物半導体層１０２の表面には、図６に示すように、一つ以上のラインが一方向にのみ一定間隔をおいて周期的に配列されるように形成された回折格子構造の表面格子３００が形成されている。

ここで、回折格子構造の表面格子３００をなすラインは、直線のほか、曲線及び単一閉曲線からなることも可能である。よって、図７に示すように、多様な形態の回折格子構造を有することができる。また、本発明の実施形態１では、ラインの端部側面形状を四角形としたが、これに限定されず、半球形または三角形などの多様な形状にしてもよい。

実施形態２
本発明の実施形態２によってラインからなる表面格子は、図８に示すように、二つ以上のラインが一つ以上の点で交差する多様な形態の網格子構造となっており、この網格子構造をなすラインも、上記実施形態１の回折格子構造をなすラインと同様に、直線のほか、曲線及び単一閉曲線からなることも可能である。また、本発明の実施形態２では、ラインの端部側面形状を四角形としたが、これに限定されず、半球形または三角形などの多様な形状にしてもよい。

要するに、上記実施形態１による回折格子構造または実施形態２による網格子構造からなる表面格子３００のラインは、直線、曲線及び単一閉曲線のうち少なくとも一つのラインからなると、一つのラインと同じ単位面積内に形成された従来の円形、四角形または六角形などの凸または凹パターンの表面格子（図３参照）と異なり、パターンとパターン間の距離（ｄ）を完全なくすことができるため、従来技術の表面格子よりも一層高い量子効率を確保することができる。これは、パターンとパターン間の距離（ｄ）が小さければ小さいほど外部量子効率が高まることを示す図４のグラフから確認できる。

一方、本発明の実施形態によるラインからなる表面格子３００は、一つ以上のラインからなっているため、ラインとライン間に所定距離（ｄ）を有するが、これもまた、同じ単位面積内に形成された従来の所定形状の凸または凹パターンから形成された表面格子（図３参照）と比較してみると、同じ距離（ｄ）を持っているとしても、本発明の実施形態によるラインからなる表面格子（図８参照）は、従来技術による表面格子に比べ、図９に示すように、パターンとパターン間の距離（ｄ）の増加によって外部量子効率が減少する減少幅が小さいということがわかる。図９のグラフにおいて、○（丸）は、従来技術による表面格子における量子効率を示し、●（塗り丸）は、本発明による表面格子における量子効率を示す。

また、表面格子３００ラインの端部幅は、活性層１０３から外部へ放出される光の屈折特性を向上させるために、活性層１０３によって発光される発光源の波長と比較し、同一または大きい幅を持つ。例えば、活性層１０３によって発光される発光源が青色の場合、青色との波長が約４００ｎｍ乃至４８０ｎｍであるので、ラインの端部幅も約４８０ｎｍ以上の幅を持つ。

このように、活性層１０３から外部へ放出される光が、優れた屈折特性を有すると、光の低い屈折特性に起因してＬＥＤ内で乱反射され消滅する光の量を最小限に抑えることができる。

また、回折格子構造または網格子構造からなる表面格子３００は、図１０に示すように、ｎ型電極１０６と重ならないｎ型窒化物半導体層１０２の表面に形成されることが好ましい。もし、ｎ型電極１０６が回折格子構造の表面格子３００と重なって形成されると、ｎ型電極１０６の接触面が表面格子によって粗さを持つことになり、よって、ｎ型電極１０６を通してｎ型窒化物半導体層１０２に流入する電流の抵抗が増加し、電気的な特性が低下する問題につながる。

ｐ型窒化物半導体層１０４の下面には、ｐ型電極１０７が形成されている。

一方、図示しないが、ｐ型窒化物半導体層１０４とｐ型電極１０７との間には、ｐ型窒化物半導体層１０４とｐ型電極１０７の接着性を良くするための接着層が形成されることが好ましい。このような接着層は、ｐ型窒化物半導体層１０４の実効キャリア濃度を高めることができるので、ｐ型窒化物半導体層１０４をなしている化合物のうち、窒素以外の成分と優先的に反応性がよい金属からなることが好ましい。

また、ｐ型電極１０７の下面には支持基板（図示せず）をさらに含み、垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤを支持するようにすることが好ましく、このｐ型電極と支持基板間の界面にも接着層（図示せず）を備えてこれらｐ型電極と支持基板との接着力を向上させる。

以上では本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、当該技術分野における通常の知識を持つ者にとっては、これら実施形態から種々の変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが明らかである。したがって、本発明の権利範囲は、これら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念に基づく当業者による種々の変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものとして解釈されるべきである。

以上のように、本発明にかかる垂直構造窒化物系半導体発光ダイオードは、表示用光源に有用である。

従来技術による水平構造窒化物系半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図である。 従来技術による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図である。 従来技術による他の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの表面格子が配置される構造を示す平面図である。 図２に示す垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの問題点を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態による垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図である。 図５に示す垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの表面格子が配置される構造を示す平面図である。 本発明の実施形態による他の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの回折格子構造を有する表面格子が配置される構造を示す平面図である。 本発明の実施形態によるさらに他の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの網格子構造を有する表面格子が配置される構造を示す平面図である。 図２及び図５に示す垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの外部量子効率を比較して示すグラフである。 本発明の実施形態によるさらに他の垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤのｎ型電極及び表面格子が配置される構造を示す平面図である。

符号の説明

１０２ ｎ型窒化物半導体層
１０３ 活性層
１０４ ｐ型窒化物半導体層
１０６ ｎ型電極
１０７ ｐ型電極
３００ 表面格子

Claims (13)

1. ｎ型電極と、
   前記ｎ型電極の下面に形成され、その表面に一つ以上のラインからなる回折格子構造を有するｎ型窒化物系半導体層と、
   前記ｎ型窒化物系半導体層の下面に形成されている活性層と、
   前記活性層の下面に形成されているｐ型窒化物系半導体層と、
   前記ｐ型窒化物系半導体層の下面に形成されているｐ型電極
   を含む、垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
2. 前記ｎ型窒化物半導体層の表面に形成された回折格子構造をなすラインは、直線、曲線及び単一閉曲線よりなる群から選ばれたいずれか一つのラインからなることを特徴とする、請求項１に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
3. 前記回折格子構造をなすラインの端部幅は、前記活性層によって発光される発光源の波長と等しいか大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
4. 前記ｎ型電極は、前記回折格子構造の表面格子と重ならないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
5. 前記ｎ型電極は、前記ｎ型窒化物系半導体層の中央部に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
6. ｎ型電極と、
   前記ｎ型電極の下面に形成されており、その表面に二つ以上のラインが一つ以上の点で交差する網格子構造を有するｎ型窒化物系半導体層と、
   前記ｎ型窒化物系半導体層の下面に形成されている活性層と、
   前記活性層の下面に形成されているｐ型窒化物系半導体層と、
   前記ｐ型窒化物系半導体層の下面に形成されているｐ型電極
   を含む、垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
7. 前記ｎ型窒化物半導体層の表面に形成された網格子構造をなしているラインは、直線、曲線及び単一閉曲線よりなる群から選ばれたいずれか一つのラインからなることを特徴とする、請求項６に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
8. 前記網格子構造をなすラインの端部幅は、前記活性層によって発光される発光源の波長と等しいか大きいことを特徴とする、請求項６または７に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
9. 前記ｎ型電極は、前記網格子構造の表面格子と重ならないことを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
10. 前記ｎ型電極は、前記ｎ型窒化物系半導体層の中央部に配置されることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
11. 前記ｐ型窒化物系半導体層と前記ｐ型電極間の界面に接触層をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１０に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
12. 前記ｐ型電極の下面に支持基板をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。
13. 前記ｐ型電極と前記支持基板間の界面に接触層をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の垂直構造窒化物系半導体発光ダイオード。

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