ナノ構造を有する発光ダイオードおよびその製造方法
【課題】望ましい光抽出効率を有すると同時に、ｐ電極の接触領域を増大させ、これによりオーム接触抵抗を改善するＬＥＤを提供する。
【解決手段】発光ダイオード（ＬＥＤ）が、その製造方法とともに提供される。上記ＬＥＤは、基板１上に形成される導電性のｎ型領域２と、上記ｎ型領域上に形成される活性領域３と、上記活性領域上に形成される第１のｐ型領域４と、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成される複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造５と、上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように再成長した第２のｐ型領域６と、上記非平面の表面上に形成されるｐ型電極と、を備える。
【解決手段】発光ダイオード（ＬＥＤ）が、その製造方法とともに提供される。上記ＬＥＤは、基板１上に形成される導電性のｎ型領域２と、上記ｎ型領域上に形成される活性領域３と、上記活性領域上に形成される第１のｐ型領域４と、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成される複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造５と、上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように再成長した第２のｐ型領域６と、上記非平面の表面上に形成されるｐ型電極と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）装置およびその製造方法に関し、特に、周期的ナノ構造と、より高い光抽出効率およびより低いｐ電極のオーム接触抵抗を目的として、接触領域を増大させるために再成長したｐ型領域とを有するＬＥＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高品質窒化ガリウムを基板とした結晶成長が利用され始めて以降、発光ダイオード（ＬＥＤ）の全般照明や背景照明への適用は年々人気が高まっており、白熱電球、ハロゲン電球、冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ：cold cathode fluorescent lamp）、および電球型蛍光灯
ランプ（ＣＦＬ：compact fluorescent lamp）等の従来型の光源に取って代わるほどである。これらの適用においては、白色光を作る蛍光体層を励起するために、インジウムガリウム窒化物を基板とした、〜４５０ｎｍの光を発する青色ＬＥＤチップが一般的に使用される。ガリウム窒化物の成長法および装置構造の最適化は過去１０年で急速な進歩を遂げてきたが、ｐ電極のオーム接触抵抗および光抽出効率（ＬＥＥ：light extraction efficiency）は、これらの装置のパフォーマンスを制限する主要な障害として未だ残っている
。上記ｐ電極の接触抵抗の低減は、元々バンドギャップが広く（３．４ｅＶ）、正孔移動度が低い（μＨ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ）というガリウム窒化物の性質のために本質的に困難である。上記接触抵抗は、金属電極と半導体インターフェースとの間の接触の質、および接触領域によって決定される。小型のＬＥＤチップの製造においては、上記ＬＥＤチップのサイズは一般的に〜２００×６００ｕｍしかなく、高い接触抵抗は該装置の電力変換効率の主要な制限要因となるため、ｐ電極の接触抵抗は特に大きな問題となる。
【０００３】
ガリウム窒化物と大気とでは屈折率が大きく異なるため、活性領域において生成された光の大半は、上記半導体の層に閉じ込められ導波されており、よって大気に放出されえない。その結果、導波された光は最終的に吸収され、ＬＥＥは低くなる。従来型の平面的なＬＥＤチップに関する上記光抽出効率は、一般的に僅か〜２５−３０％である。ＬＥＥを向上させるために様々な方法がこれまで用いられており、例えば、粗面処理、光結晶、フリップ・チップ、チップ成形、およびパターンドサファイア基板などがある。抽出構造としてのパターンドサファイア基板の利用は、市販の青色ＬＥＤチップにおいてＬＥＥを向上させる一般的な方法であり、ＬＥＥ値を〜６０％まで向上させることができる（山田、外８名，Japanese Journal of Applied Physics，2002年，第41巻，ｐ．L1431-1433）。
しかしながら、パターンドサファイア基板上での成長は容易ではなく、大きな（例えば６インチの）基板においては均一性が特に問題となる。
【０００４】
一般に、最良のＬＥＥを得るためには、抽出構造は、活性領域に可能な限り近い位置に設けられていることが好ましい。Ｍａｔｉｏｌｉら（Applied Physics Letters，2010年
，第96巻，ｐ．031108）は、埋め込み型エアギャップ光結晶構造を用いて、非カプセル化状態では〜７３％、カプセル化状態では９４％の抽出効率を達成している。
【０００５】
Ｈｏｒｎｇら（Applied Physics Letters，2005年，第86巻，ｐ．221101）によって、
粗面化したＩＴＯ層を用いたＬＥＥの増大が報告されているが、抽出構造が活性領域から遠く離れて（〜５００ｎｍ）設けられており、光抽出効率は低下する。さらに、多くの場合、粗面は大量生産での制御が難しい。
【０００６】
図１は、米国特許第５９５５７４９号明細書（1999年9月21日公開）に記載の、ＬＥＥ
の増大に用いられる誘電体の一定構造５１２の２次元の周期的変化の概略図である。この
例では、周期的構造５１２はＬＥＥを向上させるためにｐ型ＧａＡｓ５０６層にエッチングによって形成されている。この構造はＬＥＥを向上させるが、同時にドライエッチング処理によるｐ層へのエッチング損傷によって横方向電流拡散抵抗およびｐ電極オーム接触抵抗の増大を引き起こす。
【０００７】
図２は、米国特許出願公開第２０１０／００５９７７９号明細書（2010年3月11日公開
）に記載のＬＥＤ装置構造の実施形態である。ＬＥＥを向上させるため、誘電体層６０２は活性領域１０８の近傍に埋め込まれている。ｐ型層６１０は、埋め込まれた誘電体層６０２の上に再成長し、表面を平らにする。この表面によってＬＥＥは向上するが、上記ｐ電極接触領域は従来型の平面的ＬＥＤと同じであり、ｐ接触抵抗は依然高いままである。
【０００８】
図３は、米国特許出願公開第２００８／０２７９２４２号明細書（2008年11月13日公開）において開示されているＬＥＤ装置構造５０を示す図である。ｐ−ＧａＮ領域５９にＳｉＯ２構造５８を埋め込むために再成長法が用いられている。最終的な装置構造は平面となる。先に述べた例と類似して、上記接触領域は従来型の平面ＬＥＤと類似しているため、ｐ接触抵抗は依然高いままである。
【０００９】
図４は、米国特許第７２４４９５７号明細書（2007年7月17日公開）において開示され
ているＬＥＤ装置構造３００を示す図である。ＧａＮ物質からなるマイクロメートル規模の光投射領域１５０が、光抽出効率を向上させるように、ＩＴＯ層のエッチングまたはＳｉＯ２層のパターニングによってｐ表面上に形成されている。マイクロメートル規模の構造において電流拡散は問題となる場合があり、上記光抽出構造は、上記活性領域からさらに遠く離れて設けられているため、上記光抽出構造の効果は低下する。
【００１０】
図５は、米国特許第６０９１０８５号明細書（2000年7月18日公開）において開示され
ているＬＥＤ装置の実施形態を示す図である。該文献において、光抽出効率を増大させる手段として、従来のリソグラフィー技術を用いてＧａＮをパターン形成されたＳｉＯ２層上に再成長させて光投射領域２４を形成する構成が記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、ＬＥＤ装置に係る技術には、望ましい光抽出効率を得るとともに、ｐ電極接触抵抗を向上させる必要がある。本発明の目的は、望ましい光抽出効率を有すると同時に、ｐ電極の接触領域を増大させ、これによりオーム接触抵抗を改善するＬＥＤを提供することにある。これらの特徴は、いずれも高効率窒化物ＬＥＤの実現の鍵となる特徴である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、望ましい光抽出と、接触抵抗を低減するために増大した電極領域とを有するＬＥＤ装置構造を提供する。本発明はｐ−ＧａＮ領域の周期的ナノパターン表面上における再成長を含む。上記再成長処理は上記表面が平面とならず、よってｐ電極の接触領域の増大を生じさせるように実行される。
【００１３】
本発明の一態様は、ナノ構造からなる上記ＬＥＤ構造に関するものであり、上記ナノ構造は好ましくは直径５００ｎｍ未満である。この大きさは、電流拡散が上記ナノ構造の下で生じるように選択されている。電流拡散が上記ナノ構造の下で生じない場合、上記ＬＥＤの活動領域の減少は避けられず、特定の駆動電流における電流密度の増大を引き起こし、窒化物青色ＬＥＤにおいては“効率ドループ”効果によってＬＥＤ効率が低減される（例えば、Applied Physics Letters，第91巻，第18号，ｐ．183507を参照されたい）。次
に、再成長ステップがナノ構造表面上で実行される。上記再成長ステップは、表面が平面
にならず、且つ、ｐ電極の表面接触領域を増大させるために孔隙や間隙の形成を許容するように実行される。本稿で用いる“再成長”とは、ｐ型領域が、表面にナノ構造が形成された下層のｐ型領域の上に成長することを意味しており、好ましくは上記ナノ構造を部分的にのみ覆うことを意味する。
【００１４】
本発明の一態様において、上記再成長ステップは、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ：epitaxial lateral overgrowth）等の横方向成長技術を用いた有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal organic vapour deposition）によって実行される。
【００１５】
本発明の別の態様において、再成長ステップは、分子線エピタキシーによって実行され、この方法は、ナノ構造を有さない領域上に単結晶物質を形成し、ナノ構造を有する領域上に非晶質を形成する。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、Ａｇ、Ａｌ、およびＡｕ等の金属層は、プラズモン効果によって光抽出を向上させる手段として上記周期的ナノ構造の最上層に形成される。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、基板上に形成される導電性のｎ型領域と、上記ｎ型領域上に形成される活性領域と、上記活性領域上に形成される第１のｐ型領域と、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成される複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造と、上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように再成長した第２のｐ型領域と、上記非平面の表面上に形成されるｐ型電極と、を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）が提供される。
【００１８】
別の態様によれば、上記第２のｐ型領域は、上記ナノ構造付近に隆起した側壁を含む。
【００１９】
別の態様によれば、上記側壁は、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長領域を含む。
【００２０】
別の態様によれば、上記ナノ構造の形状は、四角形、円形、三角形、およびこれらの組み合わせのうち少なくとも１つである。
【００２１】
さらに別の態様によれば、上記ＬＥＤはさらに、プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に形成される金属層を備える。
【００２２】
さらに別の態様によれば、上記ナノ構造は４００ｎｍ未満の直径を有する。
【００２３】
別の態様によれば、上記ナノ構造は３００ｎｍ未満の直径を有する。
【００２４】
さらに別の態様によれば、上記第１のｐ型領域は１０ｎｍと８０ｎｍとの間の厚みを有する。
【００２５】
別の態様によれば、上記ナノ構造は１０ｎｍと１００ｎｍとの間の高さを有する。
【００２６】
別の態様によれば、上記ナノ構造は誘電性物質より形成される。
【００２７】
別の態様によれば、上記誘電性物質は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＯ、およびＳｒＦのいずれか１つまたはそれ以上である。
【００２８】
別の態様によれば、上記ｐ型電極は、インジウムスズ酸化物よりなる。
【００２９】
さらに別の態様によれば、上記ｐ型電極は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｐｄ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上より形成される。
【００３０】
さらに別の態様では、上記金属層は、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上よりなる。
【００３１】
別の態様によれば、上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれている。
【００３２】
別の態様によれば、発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法が提供される。上記方法は、基板上に導電性のｎ型領域を形成する工程と、上記ｎ型領域上に活性領域を形成する工程と、上記活性領域上に第１のｐ型領域を形成する工程と、複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造を、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成する工程と、上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように第２のｐ型領域を再成長させる工程と、上記非平面の表面上にｐ型電極を形成する工程と、を含む。
【００３３】
さらに別の態様によれば、上記ナノ構造は、上記第１のｐ型領域上にパターン形成される。
【００３４】
さらに別の態様によれば、上記第２のｐ型領域は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて再成長する。
【００３５】
さらに別の態様において、上記ＭＯＣＶＤは、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長を提供するために、エピタキシャル横方向成長技術（ＥＬＯＧ）を使用する工程を含む。
【００３６】
さらに別の態様によれば、上記第２のｐ型領域は分子線エピタキシーを用いて再成長する。
【００３７】
別の態様によれば、上記方法は、プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に金属層を形成する工程を含む。
【００３８】
さらに別の態様では、上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれている。
【００３９】
上述の目的、およびこれに関連する目的を達成するために、本発明は、後述にて全体を記載し、特に請求項で指摘する特徴を含む。後述の説明および添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明し得るであろう。しかしながら、これらの実施形態は本発明の原理の様々な利用方法のほんの数例を表すものである。本発明のその他の目的、利点および新規の特徴は、後述する本発明の詳細な説明を上記図面と合わせて検討することで明らかとなるであろう。
【発明の効果】
【００４０】
本発明は、望ましい光抽出効率と、ｐ電極のオーム接触抵抗を改善するために増大した接触領域との両方を得るために、ナノ構造と再成長したｐ型領域とを有するＬＥＤ装置を提供する。本発明はさらに、上記構造の製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
添付の図面において、類似の参照番号は類似の部材または特徴を表す。
【図１】上記ｐ型領域に形成された空孔を有する公知のＬＥＤ構造である。
【図２】埋め込み型の特徴を有する公知のＬＥＤ構造である。
【図３】埋め込み型の特徴を有する別の公知のＬＥＤ構造である。
【図４】等角にマウントされたＬＥＤを有する公知のＬＥＤ電球である。
【図５】横向きに発光するように設計された別の公知のＬＥＤ装置である。
【図６】本発明に基づくＬＥＤ装置構造の一般的な概略図である。
【図７】図６に示すＬＥＤ上に形成されるナノ構造の上面の概略図である。
【図８Ａ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｂ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｃ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｄ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｅ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｆ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図９Ａ】本発明の第２の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【図９Ｂ】本発明の第２の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【図１０Ａ】本発明の第３の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【図１０Ｂ】本発明の第３の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明は、望ましい光抽出効率と、ｐ電極のオーム接触抵抗を低減するためのより広い接触領域とを有するＬＥＤ装置構造を提供する。上記ＬＥＤ構造は、上記活性領域の近傍に形成される周期的ナノ構造と、上記ナノ構造上を覆うように再成長したｐ型領域とを備える。上記再成長したｐ型領域は、上記ナノ構造との組み合わせによって、上記ｐ型領域の表面が完全な平面とならないように、すなわち非平面となるように形成される。これにより、側壁領域との接触によって上記ｐ電極に関してより広い接触領域を実現する。以下に、実施形態の記載を通して本発明を詳細に説明する。全体を通し、類似の要素に対しては類似の参照番号を用いる。
【００４３】
本発明によれば、望ましい光抽出効率とｐ電極の抵抗とを有するＬＥＤが得られる。図６に示すように、上記ＬＥＤ構造は、基板１と、導電性のｎ型領域２と、活性領域３と、第１の導電性のｐ型領域４と、第１のｐ型領域４上に形成されるナノ構造５と、第２の導電性のｐ型領域６と、を備える。第１のｐ型領域４は、好ましくは厚み１０ｎｍ−８０ｎｍの薄く成長した層である。ナノ構造５の横方向の大きさまたは幅Ｗは、本明細書ではナノ構造５の直径とも称し、ｐ型領域４における電流拡散がナノ構造５の直下を流れるようにするため、好ましくは５００ｎｍ未満である。上記ナノ構造の直径は、より好ましくは４００ｎｍ未満であり、さらに好ましくは３００ｎｍ未満である。ナノ構造５はどのような特定の形状および配列を有していてもよく、例えば四角形、円形、三角形等であってもよいし、これらの形状構造の任意の組み合わせであってもよい。また、ナノ構造５は、様々なタイプの周期的配列であることが好ましいが、ランダムに設けられてもよい。例えば、図７は、図６に示した上記ＬＥＤ構造であって、円形の形状を有するナノ構造５を利用した実施形態の上面を示す図である。ナノ構造５の高さＨは、好ましくは１０ｎｍ−１００ｎｍであるが、これより高くてもよい。また、ナノ構造５は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＯ、ＳｒＦ、またはその他の誘電性物質、あるいはそれらの組み合わせよりなってもよい。薄い層である第１のｐ型領域４は、ナノ構造５が活性領域３の近傍に設けられることで、望ましい光抽出効率を実現するためのものである。第２のｐ型領域６は、金属電極（不図示）のｐ型領域６との接触を可能にするためのものである。
〔第１の実施形態〕
本発明に基づくＬＥＤ装置の第１の特定の実施形態を図６に示す。上記ＬＥＤ装置は、
誘電性物質からなるナノ構造５と、上記構造を完成させるために再成長した第２のｐ型領域６とを備える。ｎ型領域２、活性領域３、および第１のｐ型領域４が、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて基板１上に成長する。図８Ａは、上記の段階における装置の構造を示す概略図である。続いてのステップで、第１のｐ型領域４上にナノ構造５が形成される。例として、図８Ｂに示すように、酸化ケイ素層５ａが、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapour deposition）を用いて窒化物（例えばＧａＮ）よりなる第１のｐ型領域４上に溶着される。図８Ｃにおいて、マスク層８が酸化ケイ素層５ａ上に形成され、このマスク層８は、上記ナノ構造の範囲を規定するためにパターン化されている。マスク層８の生成に用いられ得る公知の方法は様々に存在し、例えば、ナノインプリントリソグラフィー、ステッパーリソグラフィー、インターフェアレンスリソグラフィー、イマージョンリソグラフィー、電子線リソグラフィー、極紫外線リソグラフィー、および／またはその他の手法が適用され得る。次に、ウェットまたはドライエッチングによって、図８Ｄに示すように、酸化ケイ素層５ａをナノ構造５へとパターン形成する。続いて、マスク層８が除去される。本実施形態によれば、続いて第２のｐ型領域６が、ＭＯＣＶＤによって上記構造上に再成長する。ＭＯＣＶＤによる成長中、第２のｐ型領域６を形成するＧａＮよりなる上記窒化物層は、ナノ構造５を形成する残存している酸化ケイ素層５ａ上ではエピタキシャル成長を行わないが、ＳｉＯ２の存在しない領域上でのみエピタキシャル成長を行う。これは、ＳｉＯ２物質の非結晶特性による。しかしながら、ＭＯＣＶＤによる成長中のこのＧａＮ層の成長状態を調整することで、横方向成長の拡張によってＧａＮをＳｉＯ２層上に形成することができる。これは、横方向エピタキシャル成長処理と呼ばれ、当該分野における公知技術である。好ましい実施形態では、第２のｐ型領域６はナノ構造５の高さを超える厚みまで成長し、ナノ構造付近に隆起した側壁を生成する。上記側壁によって第２のｐ型領域６の表面は非平面となり、これによって、第２のｐ型領域６とナノ構造５とが平面に構成される場合よりも広いｐ型領域６の接触領域が実現される。しかしながら、ＭＯＣＶＤに本来備わっているエピタキシャル横方向成長技術（ＥＬＯＧ）の使用は、上記酸化ケイ素層上で生じる横方向成長をも許容しており、図８Ｅに示す６ａを形成する。これらの成長領域６ａは、ナノ構造５の上面に部分的に拡張されており、その結果、上記横方向成長がない場合よりも広いｐ型領域６の接触領域を実現する。
【００４４】
ｐ電極７は、一般的にはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であるが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｐｄ、およびＡｌ等の他の金属層のうち１つまたはそれ以上よりなっていてもよい。続く段階では、このｐ電極７が、図８Ｅに示した構造の上に形成され、図８Ｆに示すように、側壁接触領域７ａによって接触領域の増大が実現される。電極７は、望ましい等角の側壁被膜を形成するため、好ましくはスパッタコーティングシステムを用いて溶着される。これに対し、図２に示した例のような従来技術における平面の表面を有する構造では接触領域が小さくなる。ここで、ｐ接触抵抗値を６×１０−３Ωｃｍ−２、ｐ接触領域を２００×５００ｕｍと想定した場合、ある発明において、ナノ構造５の大きさに関し、幅が２００ｎｍ、ピッチＰ（図７）が４００ｎｍ、横方向成長の厚みＯＧ（図６）が５０ｎｍ、および第２のｐ型領域６の厚みが２００ｎｍであるとき、本発明の場合は２．７６×１０−３Ωｃｍ２の接触領域が得られるが、従来の平面構造の場合は１．０×１０−３Ωｃｍ２の接触領域しか得られない。これを電圧降下に換算すると、本発明では６０ｍＡの出力に当たりわずか０．１３Ｖであり、これに対して従来の構造では０．３６Ｖの電圧降下を生じる。この計算は一例に過ぎない。第２のｐ型領域６の厚みおよび横方向成長の厚みＯＧは任意に組み合わせ可能であり、ナノ構造５の配置の様々な設計およびピッチＰとともに用いられてもよい。
【００４５】
図８Ｆにおいて、ナノ構造５の存在は、領域７ｂにおいて、金属電極７が隣接する活性領域３に拡散することを防ぐ機能をも有している。これは、ＬＥＤの信頼性の問題にとって有用であると考えられる。何故なら、これらの装置は一般に少なくとも３０，０００時
間の寿命を有するとされており、時間の経過による金属電極の上記活性領域への緩やかな拡散は問題となり得るためである。
〔第２の実施形態〕
本実施形態によれば、図６に示した一般的な構造は、図９Ａに示す構造に変更されてもよい。この構造では、第２のｐ型領域６は横方向成長を伴わずに再成長する。これは、例として第２のｐ型領域に対して分子線エピタキシー成長法を用いることで行われてもよく、上記成長法では、結晶質が第１のｐ型領域４と接する領域上で成長し、非晶質が酸化ケイ素ナノ構造５と接する領域上で成長する。次に、上記非晶質は、該サンプルを薄い水酸化カリウム溶液に浸すことで、図９Ａに示す最終的な構造を残して容易に除去されてもよい。続いて、ｐ接触電極７が該サンプル上に溶着され、側壁接触領域７ａによって増大した接触領域が得られる。
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態によれば、図６および／または図９Ｂに示した構造は、プラズモン効果を利用して光抽出を改善する（例として、Kao、外３名，IEE Photonics Technology Letters，2010年7月1日，第22巻，第13号を参照されたい）ために、図１０Ａに示す
構造に変更されてもよい。プラズモン効果を生じさせるために、一般にＡｇ、Ａｌ、およびＡｕ等の金属層が可能な限り上記活性領域の近傍に設けられている。また上記金属層直下において半導体との間には電流を伝導させるべきでなく、従って薄い酸化物層は通常それらの間に位置する。図１０Ａにおいて、金属層９は、プラズモン効果を得る手段として、ナノ構造５を形成する酸化物層の直上に設けられている。これに応じて、上記金属層Ａｇ、Ａｌ、およびＡｕを上記活性領域に近づけるために、上記ナノ構造酸化物層はウェットまたはドライエッチング等の手段によって薄く加工されてもよい。また上記ＬＥＤ構造は、図１０Ｂに示すように、プラズモン金属層９ｂが２つの酸化物層５ｂに挟まれてナノ構造５を形成するように構成されてもよい。
【００４６】
本稿において、本発明はいくつかの好ましい実施形態に関して図示および記載されているが、これらと同等のもの、あるいは変更を加えたものは、当該分野において技術を有する者が本明細書を読み理解することで想到し得るものであることは明らかである。本発明はそれらの同等物および変更例を含み、その範囲は後述の特許請求の範囲に限定される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によって、望ましい光抽出効率と、オーム接触抵抗を向上するために増大した接触領域とを得るために、ナノ構造と再成長したｐ型領域を有するＬＥＤ装置が提供される。本発明はさらに、上記構造の製造方法を提供する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）装置およびその製造方法に関し、特に、周期的ナノ構造と、より高い光抽出効率およびより低いｐ電極のオーム接触抵抗を目的として、接触領域を増大させるために再成長したｐ型領域とを有するＬＥＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高品質窒化ガリウムを基板とした結晶成長が利用され始めて以降、発光ダイオード（ＬＥＤ）の全般照明や背景照明への適用は年々人気が高まっており、白熱電球、ハロゲン電球、冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ：cold cathode fluorescent lamp）、および電球型蛍光灯
ランプ（ＣＦＬ：compact fluorescent lamp）等の従来型の光源に取って代わるほどである。これらの適用においては、白色光を作る蛍光体層を励起するために、インジウムガリウム窒化物を基板とした、〜４５０ｎｍの光を発する青色ＬＥＤチップが一般的に使用される。ガリウム窒化物の成長法および装置構造の最適化は過去１０年で急速な進歩を遂げてきたが、ｐ電極のオーム接触抵抗および光抽出効率（ＬＥＥ：light extraction efficiency）は、これらの装置のパフォーマンスを制限する主要な障害として未だ残っている
。上記ｐ電極の接触抵抗の低減は、元々バンドギャップが広く（３．４ｅＶ）、正孔移動度が低い（μＨ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ）というガリウム窒化物の性質のために本質的に困難である。上記接触抵抗は、金属電極と半導体インターフェースとの間の接触の質、および接触領域によって決定される。小型のＬＥＤチップの製造においては、上記ＬＥＤチップのサイズは一般的に〜２００×６００ｕｍしかなく、高い接触抵抗は該装置の電力変換効率の主要な制限要因となるため、ｐ電極の接触抵抗は特に大きな問題となる。
【０００３】
ガリウム窒化物と大気とでは屈折率が大きく異なるため、活性領域において生成された光の大半は、上記半導体の層に閉じ込められ導波されており、よって大気に放出されえない。その結果、導波された光は最終的に吸収され、ＬＥＥは低くなる。従来型の平面的なＬＥＤチップに関する上記光抽出効率は、一般的に僅か〜２５−３０％である。ＬＥＥを向上させるために様々な方法がこれまで用いられており、例えば、粗面処理、光結晶、フリップ・チップ、チップ成形、およびパターンドサファイア基板などがある。抽出構造としてのパターンドサファイア基板の利用は、市販の青色ＬＥＤチップにおいてＬＥＥを向上させる一般的な方法であり、ＬＥＥ値を〜６０％まで向上させることができる（山田、外８名，Japanese Journal of Applied Physics，2002年，第41巻，ｐ．L1431-1433）。
しかしながら、パターンドサファイア基板上での成長は容易ではなく、大きな（例えば６インチの）基板においては均一性が特に問題となる。
【０００４】
一般に、最良のＬＥＥを得るためには、抽出構造は、活性領域に可能な限り近い位置に設けられていることが好ましい。Ｍａｔｉｏｌｉら（Applied Physics Letters，2010年
，第96巻，ｐ．031108）は、埋め込み型エアギャップ光結晶構造を用いて、非カプセル化状態では〜７３％、カプセル化状態では９４％の抽出効率を達成している。
【０００５】
Ｈｏｒｎｇら（Applied Physics Letters，2005年，第86巻，ｐ．221101）によって、
粗面化したＩＴＯ層を用いたＬＥＥの増大が報告されているが、抽出構造が活性領域から遠く離れて（〜５００ｎｍ）設けられており、光抽出効率は低下する。さらに、多くの場合、粗面は大量生産での制御が難しい。
【０００６】
図１は、米国特許第５９５５７４９号明細書（1999年9月21日公開）に記載の、ＬＥＥ
の増大に用いられる誘電体の一定構造５１２の２次元の周期的変化の概略図である。この
例では、周期的構造５１２はＬＥＥを向上させるためにｐ型ＧａＡｓ５０６層にエッチングによって形成されている。この構造はＬＥＥを向上させるが、同時にドライエッチング処理によるｐ層へのエッチング損傷によって横方向電流拡散抵抗およびｐ電極オーム接触抵抗の増大を引き起こす。
【０００７】
図２は、米国特許出願公開第２０１０／００５９７７９号明細書（2010年3月11日公開
）に記載のＬＥＤ装置構造の実施形態である。ＬＥＥを向上させるため、誘電体層６０２は活性領域１０８の近傍に埋め込まれている。ｐ型層６１０は、埋め込まれた誘電体層６０２の上に再成長し、表面を平らにする。この表面によってＬＥＥは向上するが、上記ｐ電極接触領域は従来型の平面的ＬＥＤと同じであり、ｐ接触抵抗は依然高いままである。
【０００８】
図３は、米国特許出願公開第２００８／０２７９２４２号明細書（2008年11月13日公開）において開示されているＬＥＤ装置構造５０を示す図である。ｐ−ＧａＮ領域５９にＳｉＯ２構造５８を埋め込むために再成長法が用いられている。最終的な装置構造は平面となる。先に述べた例と類似して、上記接触領域は従来型の平面ＬＥＤと類似しているため、ｐ接触抵抗は依然高いままである。
【０００９】
図４は、米国特許第７２４４９５７号明細書（2007年7月17日公開）において開示され
ているＬＥＤ装置構造３００を示す図である。ＧａＮ物質からなるマイクロメートル規模の光投射領域１５０が、光抽出効率を向上させるように、ＩＴＯ層のエッチングまたはＳｉＯ２層のパターニングによってｐ表面上に形成されている。マイクロメートル規模の構造において電流拡散は問題となる場合があり、上記光抽出構造は、上記活性領域からさらに遠く離れて設けられているため、上記光抽出構造の効果は低下する。
【００１０】
図５は、米国特許第６０９１０８５号明細書（2000年7月18日公開）において開示され
ているＬＥＤ装置の実施形態を示す図である。該文献において、光抽出効率を増大させる手段として、従来のリソグラフィー技術を用いてＧａＮをパターン形成されたＳｉＯ２層上に再成長させて光投射領域２４を形成する構成が記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、ＬＥＤ装置に係る技術には、望ましい光抽出効率を得るとともに、ｐ電極接触抵抗を向上させる必要がある。本発明の目的は、望ましい光抽出効率を有すると同時に、ｐ電極の接触領域を増大させ、これによりオーム接触抵抗を改善するＬＥＤを提供することにある。これらの特徴は、いずれも高効率窒化物ＬＥＤの実現の鍵となる特徴である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、望ましい光抽出と、接触抵抗を低減するために増大した電極領域とを有するＬＥＤ装置構造を提供する。本発明はｐ−ＧａＮ領域の周期的ナノパターン表面上における再成長を含む。上記再成長処理は上記表面が平面とならず、よってｐ電極の接触領域の増大を生じさせるように実行される。
【００１３】
本発明の一態様は、ナノ構造からなる上記ＬＥＤ構造に関するものであり、上記ナノ構造は好ましくは直径５００ｎｍ未満である。この大きさは、電流拡散が上記ナノ構造の下で生じるように選択されている。電流拡散が上記ナノ構造の下で生じない場合、上記ＬＥＤの活動領域の減少は避けられず、特定の駆動電流における電流密度の増大を引き起こし、窒化物青色ＬＥＤにおいては“効率ドループ”効果によってＬＥＤ効率が低減される（例えば、Applied Physics Letters，第91巻，第18号，ｐ．183507を参照されたい）。次
に、再成長ステップがナノ構造表面上で実行される。上記再成長ステップは、表面が平面
にならず、且つ、ｐ電極の表面接触領域を増大させるために孔隙や間隙の形成を許容するように実行される。本稿で用いる“再成長”とは、ｐ型領域が、表面にナノ構造が形成された下層のｐ型領域の上に成長することを意味しており、好ましくは上記ナノ構造を部分的にのみ覆うことを意味する。
【００１４】
本発明の一態様において、上記再成長ステップは、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ：epitaxial lateral overgrowth）等の横方向成長技術を用いた有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal organic vapour deposition）によって実行される。
【００１５】
本発明の別の態様において、再成長ステップは、分子線エピタキシーによって実行され、この方法は、ナノ構造を有さない領域上に単結晶物質を形成し、ナノ構造を有する領域上に非晶質を形成する。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、Ａｇ、Ａｌ、およびＡｕ等の金属層は、プラズモン効果によって光抽出を向上させる手段として上記周期的ナノ構造の最上層に形成される。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、基板上に形成される導電性のｎ型領域と、上記ｎ型領域上に形成される活性領域と、上記活性領域上に形成される第１のｐ型領域と、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成される複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造と、上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように再成長した第２のｐ型領域と、上記非平面の表面上に形成されるｐ型電極と、を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）が提供される。
【００１８】
別の態様によれば、上記第２のｐ型領域は、上記ナノ構造付近に隆起した側壁を含む。
【００１９】
別の態様によれば、上記側壁は、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長領域を含む。
【００２０】
別の態様によれば、上記ナノ構造の形状は、四角形、円形、三角形、およびこれらの組み合わせのうち少なくとも１つである。
【００２１】
さらに別の態様によれば、上記ＬＥＤはさらに、プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に形成される金属層を備える。
【００２２】
さらに別の態様によれば、上記ナノ構造は４００ｎｍ未満の直径を有する。
【００２３】
別の態様によれば、上記ナノ構造は３００ｎｍ未満の直径を有する。
【００２４】
さらに別の態様によれば、上記第１のｐ型領域は１０ｎｍと８０ｎｍとの間の厚みを有する。
【００２５】
別の態様によれば、上記ナノ構造は１０ｎｍと１００ｎｍとの間の高さを有する。
【００２６】
別の態様によれば、上記ナノ構造は誘電性物質より形成される。
【００２７】
別の態様によれば、上記誘電性物質は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＯ、およびＳｒＦのいずれか１つまたはそれ以上である。
【００２８】
別の態様によれば、上記ｐ型電極は、インジウムスズ酸化物よりなる。
【００２９】
さらに別の態様によれば、上記ｐ型電極は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｐｄ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上より形成される。
【００３０】
さらに別の態様では、上記金属層は、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上よりなる。
【００３１】
別の態様によれば、上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれている。
【００３２】
別の態様によれば、発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法が提供される。上記方法は、基板上に導電性のｎ型領域を形成する工程と、上記ｎ型領域上に活性領域を形成する工程と、上記活性領域上に第１のｐ型領域を形成する工程と、複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造を、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成する工程と、上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように第２のｐ型領域を再成長させる工程と、上記非平面の表面上にｐ型電極を形成する工程と、を含む。
【００３３】
さらに別の態様によれば、上記ナノ構造は、上記第１のｐ型領域上にパターン形成される。
【００３４】
さらに別の態様によれば、上記第２のｐ型領域は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて再成長する。
【００３５】
さらに別の態様において、上記ＭＯＣＶＤは、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長を提供するために、エピタキシャル横方向成長技術（ＥＬＯＧ）を使用する工程を含む。
【００３６】
さらに別の態様によれば、上記第２のｐ型領域は分子線エピタキシーを用いて再成長する。
【００３７】
別の態様によれば、上記方法は、プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に金属層を形成する工程を含む。
【００３８】
さらに別の態様では、上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれている。
【００３９】
上述の目的、およびこれに関連する目的を達成するために、本発明は、後述にて全体を記載し、特に請求項で指摘する特徴を含む。後述の説明および添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明し得るであろう。しかしながら、これらの実施形態は本発明の原理の様々な利用方法のほんの数例を表すものである。本発明のその他の目的、利点および新規の特徴は、後述する本発明の詳細な説明を上記図面と合わせて検討することで明らかとなるであろう。
【発明の効果】
【００４０】
本発明は、望ましい光抽出効率と、ｐ電極のオーム接触抵抗を改善するために増大した接触領域との両方を得るために、ナノ構造と再成長したｐ型領域とを有するＬＥＤ装置を提供する。本発明はさらに、上記構造の製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
添付の図面において、類似の参照番号は類似の部材または特徴を表す。
【図１】上記ｐ型領域に形成された空孔を有する公知のＬＥＤ構造である。
【図２】埋め込み型の特徴を有する公知のＬＥＤ構造である。
【図３】埋め込み型の特徴を有する別の公知のＬＥＤ構造である。
【図４】等角にマウントされたＬＥＤを有する公知のＬＥＤ電球である。
【図５】横向きに発光するように設計された別の公知のＬＥＤ装置である。
【図６】本発明に基づくＬＥＤ装置構造の一般的な概略図である。
【図７】図６に示すＬＥＤ上に形成されるナノ構造の上面の概略図である。
【図８Ａ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｂ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｃ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｄ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｅ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図８Ｆ】本発明の第１の実施形態に基づくＬＥＤ装置構造の一例の概略図である。
【図９Ａ】本発明の第２の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【図９Ｂ】本発明の第２の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【図１０Ａ】本発明の第３の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【図１０Ｂ】本発明の第３の実施形態に基づくＬＥＤ装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明は、望ましい光抽出効率と、ｐ電極のオーム接触抵抗を低減するためのより広い接触領域とを有するＬＥＤ装置構造を提供する。上記ＬＥＤ構造は、上記活性領域の近傍に形成される周期的ナノ構造と、上記ナノ構造上を覆うように再成長したｐ型領域とを備える。上記再成長したｐ型領域は、上記ナノ構造との組み合わせによって、上記ｐ型領域の表面が完全な平面とならないように、すなわち非平面となるように形成される。これにより、側壁領域との接触によって上記ｐ電極に関してより広い接触領域を実現する。以下に、実施形態の記載を通して本発明を詳細に説明する。全体を通し、類似の要素に対しては類似の参照番号を用いる。
【００４３】
本発明によれば、望ましい光抽出効率とｐ電極の抵抗とを有するＬＥＤが得られる。図６に示すように、上記ＬＥＤ構造は、基板１と、導電性のｎ型領域２と、活性領域３と、第１の導電性のｐ型領域４と、第１のｐ型領域４上に形成されるナノ構造５と、第２の導電性のｐ型領域６と、を備える。第１のｐ型領域４は、好ましくは厚み１０ｎｍ−８０ｎｍの薄く成長した層である。ナノ構造５の横方向の大きさまたは幅Ｗは、本明細書ではナノ構造５の直径とも称し、ｐ型領域４における電流拡散がナノ構造５の直下を流れるようにするため、好ましくは５００ｎｍ未満である。上記ナノ構造の直径は、より好ましくは４００ｎｍ未満であり、さらに好ましくは３００ｎｍ未満である。ナノ構造５はどのような特定の形状および配列を有していてもよく、例えば四角形、円形、三角形等であってもよいし、これらの形状構造の任意の組み合わせであってもよい。また、ナノ構造５は、様々なタイプの周期的配列であることが好ましいが、ランダムに設けられてもよい。例えば、図７は、図６に示した上記ＬＥＤ構造であって、円形の形状を有するナノ構造５を利用した実施形態の上面を示す図である。ナノ構造５の高さＨは、好ましくは１０ｎｍ−１００ｎｍであるが、これより高くてもよい。また、ナノ構造５は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＯ、ＳｒＦ、またはその他の誘電性物質、あるいはそれらの組み合わせよりなってもよい。薄い層である第１のｐ型領域４は、ナノ構造５が活性領域３の近傍に設けられることで、望ましい光抽出効率を実現するためのものである。第２のｐ型領域６は、金属電極（不図示）のｐ型領域６との接触を可能にするためのものである。
〔第１の実施形態〕
本発明に基づくＬＥＤ装置の第１の特定の実施形態を図６に示す。上記ＬＥＤ装置は、
誘電性物質からなるナノ構造５と、上記構造を完成させるために再成長した第２のｐ型領域６とを備える。ｎ型領域２、活性領域３、および第１のｐ型領域４が、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて基板１上に成長する。図８Ａは、上記の段階における装置の構造を示す概略図である。続いてのステップで、第１のｐ型領域４上にナノ構造５が形成される。例として、図８Ｂに示すように、酸化ケイ素層５ａが、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapour deposition）を用いて窒化物（例えばＧａＮ）よりなる第１のｐ型領域４上に溶着される。図８Ｃにおいて、マスク層８が酸化ケイ素層５ａ上に形成され、このマスク層８は、上記ナノ構造の範囲を規定するためにパターン化されている。マスク層８の生成に用いられ得る公知の方法は様々に存在し、例えば、ナノインプリントリソグラフィー、ステッパーリソグラフィー、インターフェアレンスリソグラフィー、イマージョンリソグラフィー、電子線リソグラフィー、極紫外線リソグラフィー、および／またはその他の手法が適用され得る。次に、ウェットまたはドライエッチングによって、図８Ｄに示すように、酸化ケイ素層５ａをナノ構造５へとパターン形成する。続いて、マスク層８が除去される。本実施形態によれば、続いて第２のｐ型領域６が、ＭＯＣＶＤによって上記構造上に再成長する。ＭＯＣＶＤによる成長中、第２のｐ型領域６を形成するＧａＮよりなる上記窒化物層は、ナノ構造５を形成する残存している酸化ケイ素層５ａ上ではエピタキシャル成長を行わないが、ＳｉＯ２の存在しない領域上でのみエピタキシャル成長を行う。これは、ＳｉＯ２物質の非結晶特性による。しかしながら、ＭＯＣＶＤによる成長中のこのＧａＮ層の成長状態を調整することで、横方向成長の拡張によってＧａＮをＳｉＯ２層上に形成することができる。これは、横方向エピタキシャル成長処理と呼ばれ、当該分野における公知技術である。好ましい実施形態では、第２のｐ型領域６はナノ構造５の高さを超える厚みまで成長し、ナノ構造付近に隆起した側壁を生成する。上記側壁によって第２のｐ型領域６の表面は非平面となり、これによって、第２のｐ型領域６とナノ構造５とが平面に構成される場合よりも広いｐ型領域６の接触領域が実現される。しかしながら、ＭＯＣＶＤに本来備わっているエピタキシャル横方向成長技術（ＥＬＯＧ）の使用は、上記酸化ケイ素層上で生じる横方向成長をも許容しており、図８Ｅに示す６ａを形成する。これらの成長領域６ａは、ナノ構造５の上面に部分的に拡張されており、その結果、上記横方向成長がない場合よりも広いｐ型領域６の接触領域を実現する。
【００４４】
ｐ電極７は、一般的にはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であるが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｐｄ、およびＡｌ等の他の金属層のうち１つまたはそれ以上よりなっていてもよい。続く段階では、このｐ電極７が、図８Ｅに示した構造の上に形成され、図８Ｆに示すように、側壁接触領域７ａによって接触領域の増大が実現される。電極７は、望ましい等角の側壁被膜を形成するため、好ましくはスパッタコーティングシステムを用いて溶着される。これに対し、図２に示した例のような従来技術における平面の表面を有する構造では接触領域が小さくなる。ここで、ｐ接触抵抗値を６×１０−３Ωｃｍ−２、ｐ接触領域を２００×５００ｕｍと想定した場合、ある発明において、ナノ構造５の大きさに関し、幅が２００ｎｍ、ピッチＰ（図７）が４００ｎｍ、横方向成長の厚みＯＧ（図６）が５０ｎｍ、および第２のｐ型領域６の厚みが２００ｎｍであるとき、本発明の場合は２．７６×１０−３Ωｃｍ２の接触領域が得られるが、従来の平面構造の場合は１．０×１０−３Ωｃｍ２の接触領域しか得られない。これを電圧降下に換算すると、本発明では６０ｍＡの出力に当たりわずか０．１３Ｖであり、これに対して従来の構造では０．３６Ｖの電圧降下を生じる。この計算は一例に過ぎない。第２のｐ型領域６の厚みおよび横方向成長の厚みＯＧは任意に組み合わせ可能であり、ナノ構造５の配置の様々な設計およびピッチＰとともに用いられてもよい。
【００４５】
図８Ｆにおいて、ナノ構造５の存在は、領域７ｂにおいて、金属電極７が隣接する活性領域３に拡散することを防ぐ機能をも有している。これは、ＬＥＤの信頼性の問題にとって有用であると考えられる。何故なら、これらの装置は一般に少なくとも３０，０００時
間の寿命を有するとされており、時間の経過による金属電極の上記活性領域への緩やかな拡散は問題となり得るためである。
〔第２の実施形態〕
本実施形態によれば、図６に示した一般的な構造は、図９Ａに示す構造に変更されてもよい。この構造では、第２のｐ型領域６は横方向成長を伴わずに再成長する。これは、例として第２のｐ型領域に対して分子線エピタキシー成長法を用いることで行われてもよく、上記成長法では、結晶質が第１のｐ型領域４と接する領域上で成長し、非晶質が酸化ケイ素ナノ構造５と接する領域上で成長する。次に、上記非晶質は、該サンプルを薄い水酸化カリウム溶液に浸すことで、図９Ａに示す最終的な構造を残して容易に除去されてもよい。続いて、ｐ接触電極７が該サンプル上に溶着され、側壁接触領域７ａによって増大した接触領域が得られる。
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態によれば、図６および／または図９Ｂに示した構造は、プラズモン効果を利用して光抽出を改善する（例として、Kao、外３名，IEE Photonics Technology Letters，2010年7月1日，第22巻，第13号を参照されたい）ために、図１０Ａに示す
構造に変更されてもよい。プラズモン効果を生じさせるために、一般にＡｇ、Ａｌ、およびＡｕ等の金属層が可能な限り上記活性領域の近傍に設けられている。また上記金属層直下において半導体との間には電流を伝導させるべきでなく、従って薄い酸化物層は通常それらの間に位置する。図１０Ａにおいて、金属層９は、プラズモン効果を得る手段として、ナノ構造５を形成する酸化物層の直上に設けられている。これに応じて、上記金属層Ａｇ、Ａｌ、およびＡｕを上記活性領域に近づけるために、上記ナノ構造酸化物層はウェットまたはドライエッチング等の手段によって薄く加工されてもよい。また上記ＬＥＤ構造は、図１０Ｂに示すように、プラズモン金属層９ｂが２つの酸化物層５ｂに挟まれてナノ構造５を形成するように構成されてもよい。
【００４６】
本稿において、本発明はいくつかの好ましい実施形態に関して図示および記載されているが、これらと同等のもの、あるいは変更を加えたものは、当該分野において技術を有する者が本明細書を読み理解することで想到し得るものであることは明らかである。本発明はそれらの同等物および変更例を含み、その範囲は後述の特許請求の範囲に限定される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によって、望ましい光抽出効率と、オーム接触抵抗を向上するために増大した接触領域とを得るために、ナノ構造と再成長したｐ型領域を有するＬＥＤ装置が提供される。本発明はさらに、上記構造の製造方法を提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成される導電性のｎ型領域と、
上記ｎ型領域上に形成される活性領域と、
上記活性領域上に形成される第１のｐ型領域と、
上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成される複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造と、
上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように再成長した第２のｐ型領域と、
上記非平面の表面上に形成されるｐ型電極と、
を備えることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【請求項２】
上記第２のｐ型領域は、上記ナノ構造付近に隆起した側壁を含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
上記側壁は、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長領域を含むことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
上記ナノ構造の形状は、四角形、円形、三角形、およびこれらの組み合わせのうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に形成される金属層をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
上記ナノ構造は４００ｎｍ未満の直径を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項７】
上記ナノ構造は３００ｎｍ未満の直径を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項８】
上記第１のｐ型領域は１０ｎｍと８０ｎｍとの間の厚みを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項９】
上記ナノ構造は１０ｎｍと１００ｎｍとの間の高さを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
上記ナノ構造は誘電性物質より形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
上記誘電性物質は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＯ、およびＳｒＦのいずれか１つまたはそれ以上であることを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
上記ｐ型電極は、インジウムスズ酸化物よりなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
上記ｐ型電極は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｐｄ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上より形成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
上記金属層は、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上よりなることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれていることを特徴とする請求項５または１４に記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法であって、
基板上に導電性のｎ型領域を形成する工程と、
上記ｎ型領域上に活性領域を形成する工程と、
上記活性領域上に第１のｐ型領域を形成する工程と、
複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造を、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成する工程と、
上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように第２のｐ型領域を再成長させる工程と、
上記非平面の表面上にｐ型電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
上記ナノ構造は、上記第１のｐ型領域上にパターン形成されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記第２のｐ型領域は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて再成長することを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記ＭＯＣＶＤは、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長を提供するために、エピタキシャル横方向成長技術（ＥＬＯＧ）を使用する工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
上記第２のｐ型領域は、分子線エピタキシーを用いて再成長することを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項２１】
プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に金属層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１６から２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項１】
基板上に形成される導電性のｎ型領域と、
上記ｎ型領域上に形成される活性領域と、
上記活性領域上に形成される第１のｐ型領域と、
上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成される複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造と、
上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように再成長した第２のｐ型領域と、
上記非平面の表面上に形成されるｐ型電極と、
を備えることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【請求項２】
上記第２のｐ型領域は、上記ナノ構造付近に隆起した側壁を含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
上記側壁は、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長領域を含むことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
上記ナノ構造の形状は、四角形、円形、三角形、およびこれらの組み合わせのうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に形成される金属層をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
上記ナノ構造は４００ｎｍ未満の直径を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項７】
上記ナノ構造は３００ｎｍ未満の直径を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項８】
上記第１のｐ型領域は１０ｎｍと８０ｎｍとの間の厚みを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項９】
上記ナノ構造は１０ｎｍと１００ｎｍとの間の高さを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
上記ナノ構造は誘電性物質より形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
上記誘電性物質は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｃＯ、およびＳｒＦのいずれか１つまたはそれ以上であることを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
上記ｐ型電極は、インジウムスズ酸化物よりなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
上記ｐ型電極は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｐｄ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上より形成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
上記金属層は、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌのいずれか１つまたはそれ以上よりなることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれていることを特徴とする請求項５または１４に記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法であって、
基板上に導電性のｎ型領域を形成する工程と、
上記ｎ型領域上に活性領域を形成する工程と、
上記活性領域上に第１のｐ型領域を形成する工程と、
複数のナノ構造であって、５００ｎｍ未満の直径を有するナノ構造を、上記活性領域からの光抽出を行うように上記第１のｐ型領域上に形成する工程と、
上記第１のｐ型領域上に、上記ナノ構造との組み合わせによって非平面の表面を形成するように第２のｐ型領域を再成長させる工程と、
上記非平面の表面上にｐ型電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
上記ナノ構造は、上記第１のｐ型領域上にパターン形成されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記第２のｐ型領域は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて再成長することを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記ＭＯＣＶＤは、上記ナノ構造の上面に部分的に拡張された横方向成長を提供するために、エピタキシャル横方向成長技術（ＥＬＯＧ）を使用する工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
上記第２のｐ型領域は、分子線エピタキシーを用いて再成長することを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項２１】
プラズモン効果を得るために上記ナノ構造のそれぞれの上に金属層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１６から２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
上記金属層は、各々がナノ構造を形成する２つの層に挟まれていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図８Ｆ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図８Ｆ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１６９６１５（Ｐ２０１２−１６９６１５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１５７５０（Ｐ２０１２−１５７５０）
【出願日】平成２４年１月２７日（２０１２．１．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５７５０（Ｐ２０１２−１５７５０）
【出願日】平成２４年１月２７日（２０１２．１．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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