半導体発光ダイオード
【課題】微細なリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉現象を利用し、光の外部への取出し効率を改善した半導体発光ダイオードを提供する。
【解決手段】第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、前記リッジ構造の平坦面の横幅Ｗが２λ（λ：発光波長）以下で、かつ前記活性層の中心Ｃ（リッジ構造の中心線と活性層との交点）からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点（傾斜面の法線方向からθＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）[ｎ：半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Ｃから傾斜面に向かう線（平坦面に近い側）と傾斜面との交点）から平坦面までの距離Ｌがλ（λ：発光波長）以下である。
【解決手段】第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、前記リッジ構造の平坦面の横幅Ｗが２λ（λ：発光波長）以下で、かつ前記活性層の中心Ｃ（リッジ構造の中心線と活性層との交点）からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点（傾斜面の法線方向からθＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）[ｎ：半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Ｃから傾斜面に向かう線（平坦面に近い側）と傾斜面との交点）から平坦面までの距離Ｌがλ（λ：発光波長）以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、特に化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオードに関し、より詳しくは微細なリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉現象を利用し、光の外部への取出し効率を改善した半導体発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体（ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＮなど）を材料に用いた発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、白熱電球や蛍光灯に取って代わる省エネルギー・長寿命の照明光源として期待され、その本格的な普及に向けた研究開発が世界的に行われている。
【０００３】
ＬＥＤのエネルギー変換効率は、一般的に結晶の品質によって決まる内部量子効率と光の外部への取出し効率の積によって決まる。内部量子効率に関しては、近年の結晶成長技術の進歩によって、発光波長にもよるが、飛躍的な向上が見られる。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ（発光波長約６５０ｎｍ）やＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤ（発光波長約４５０ｎｍ）の内部量子効率は、いずれも８０％を超えている。
【０００４】
これに対して、半導体内部で発生した光（自然放出光）を効率よく外部へ取り出すことは非常に困難であり、これがＬＥＤの発光効率向上を妨げる最大の要因となっている。これは、半導体と空気との界面において、半導体材料の高い屈折率に起因する光の全反射が存在するため、半導体内部で発生した光を効率よく外部へ取り出すことができないためである。
【０００５】
例えば、最表面層が平坦な構造のＬＥＤの場合、全反射の臨界角θＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）（ｎ：半導体の屈折率）より小さい角度で界面に入射する光しか外部へ取り出すことができない。その量は活性層で発生した光の数パーセント（２〜４％）にすぎない。なお、臨界角θＣによって決定される円錐は、一般に、取出し円錐と呼ばれている。
【０００６】
ＬＥＤの光取出し効率を向上させるため、これまでに様々な全反射を抑制する技術が開発されてきた。例えば、１）空気より屈折率の大きい樹脂でＬＥＤを封止する技術、２）ＬＥＤを機械的な方法で逆角錐のような特殊な形状に加工して取出し円錐の数を増やす技術（非特許文献１参照）、３）フォトニック結晶構造を用いて、導波モードの光を回折させることによって、その伝搬方向を変化させる技術（特許文献１参照）、４）ＬＥＤ表面に意図的に微小凹凸を形成し、光の反射角度を変化させる技術、がある。
【０００７】
しかし、これらの従来技術は、１）屈折率の大きいＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤにおいて、５０％以上の取出し効率の実現が困難であること、２）製造プロセスが複雑で、生産コストの削減に不利である、などの問題が生じる。したがって、より高効率で、より簡便な光取出し技術の開発が望まれている。
【０００８】
我々は、これまでに、複数の結晶面を有する形状基板上に選択的に成長させた微細なリッジ構造を備えるＬＥＤを開発した（非特許文献２、３参照）。このＬＥＤにおいて、リッジ構造の形状が特定の条件を満たせば、発光層となる活性層で発生した光がリッジ構造の二つの傾斜面で全反射する際に生じたエバネッセント光がリッジ構造の頂上で互いに干渉し、非常に高い効率で、空気伝播光に変換されることを見出した。
【０００９】
具体的には、図１に示されるように、リッジ構造は隣接する二つのＶ字型の溝の間に形成される。このような形状は、Ｖ字型の溝加工を施した半導体基板上に、又はストライプ状の絶縁膜マスクをもつ基板上に、半導体（活性層など）をエピタキシャル成長させることによって加工することができる。この場合、活性層はエピタキシャル成長中にリッジ構造の頂上平坦面部に選択的に形成される。
【００１０】
活性層の中心Ｃから発生した光が、全反射の臨界角θＣの角度でリッジ構造の傾斜面と空気との界面に入射すると、全反射に伴って界面の近傍にエバネッセント光１０４と呼ばれる特殊な電磁波が発生する。両側面の２つのエバネッセント光が、界面に沿ってリッジ構造の頂上に向かって移動し、リッジ構造の頂上に到達すると、互いに干渉し、効率よく伝播光１０５に変換され空気中に放出される。
【００１１】
この現象を効率よく発現させるためには、リッジ構造の幾何学的形状において２つの重要な条件を満たさなければならない。１）リッジ構造平坦面の横幅Ｗが発光波長λと同程度か又は少し小さい場合に、エバネッセント光の干渉が最も強く現れ、一方、横幅Ｗが２λを超えるとほぼなくなることが、フォトルミネセンスによる発光特性評価及び理論シミュレーションによって判明している。したがって、リッジ構造平坦面の横幅Ｗは２λ以下とする必要がある。２）エバネッセント光は、界面に沿って波長程度の距離を進んだ後、すぐに半導体の内部に戻る性質がある。したがって、活性層の中心Ｃからの光がθＣの角度で界面に到達する地点、すなわち全反射する最短の地点、と平面となる地点までの距離Ｌが発光波長より短くなければならない。この条件は、一般的に成長方向における活性層の位置を調整することによって満たすことが可能である。
【００１２】
また、図２に示されるように、リッジ表面上に最表面の半導体層より屈折率の小さい薄膜１０９を堆積させると、半導体１０３／屈折率の小さい薄膜１０９、及び、屈折率の小さい薄膜１０９／空気、という二つの界面でエバネッセント光が発生し、エバネッセント光の干渉が二つの界面で二重に起きることも判明している。これによって、空気中に放射される伝播光の割合が増加し、光の取出し効率が屈折率の小さい薄膜がない場合に比べて、１．３〜１．５倍に向上される。ここで、屈折率の小さい薄膜として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜などの絶縁膜や酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電膜を用いることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−３１１６８７
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】M. R. Krames, M. Ochiai-Holcomb, G.E. Hofler, C. Carter-coman, E.I. Chen, I. -H. Tan, P. Grilot, N.F. Gardner, H.C. Chui, J.-W. Huang, S. A. Stockman, F. A. Kish, T. S. Tan, C. P. Kocot M. Hueschen, J. Posselt, B. Loh, G. Sasser, and D. Collins, “High-power truncated-inverted-pyramid (AlxGal-x)0.5In0.5P/GaP light-emitting diodes exhibiting ＞50% external quantum efficiency”, Applied Physics Letters, Vol. 75 (1999) 2365-2367.
【非特許文献２】X.-L. Wang, S. Furue, M. Ogura, V. Voliotis, M. Ravaro, A. Enderlin, and R. Grousson, “Ultrahigh Spontaneous Emission Extraction Efficiency Induced by Evanescent Wave Coupling”, Applied Physics Letters, Vol. 94 (2009) 091102-1-3.
【非特許文献３】王学論、Alexandre Enderlin, Marco Ravaro, 「凹凸基板におけるエバネッセント光の結合による半導体発光の超高効率取り出し」、第５７回応用物理学関係連合講演会予稿集、pp.14-240。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、前記のような複数の結晶面を有する形状基板上への選択成長によるリッジ構造には、以下のような問題点が存在する。すなわち、発光層となる活性層は選択成長中にリッジ構造の頂上付近に形成されるため、活性層の平坦部は面内方向において離散して（切れ切れになって）おり、従来の平坦基板上に成長したデバイスに比べて、発光領域の全体的な面積が少ないという問題点がある。そのため、ウエハーの利用効率が悪くなり、コストの削減にとって不利になることが考えられる。
【００１６】
本発明は、上記の問題点を克服するためになされたものであり、その目的は高い活性層の表面占有率を十分に確保すると同時に、エバネッセント光の干渉による高い光取出し効率の実現が可能なＬＥＤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以上から、本発明は、
１）順次積層させた第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１）前記リッジ構造の平坦面の横幅Ｗが２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層の中心Ｃ（リッジ構造の中心線と活性層との交点）からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点（傾斜面の法線方向からθＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）[ｎ：半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Ｃから傾斜面に向かう線（平坦面に近い側）と傾斜面との交点）から平坦面までの距離Ｌがλ（λ：発光波長）以下であること、（３）前記活性層が平坦で、連続的あること、（４）前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層に達しないこと、を特徴とする発光ダイオード。
また、活性層が多重量子井戸の場合、全ての量子井戸が上記（１）〜（４）の条件を満たすことが望ましい。
【００１８】
さらに、本発明は、
２）前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より０．１μｍ以上離れていること、を特徴とする上記１記載の発光ダイオード。
【００１９】
さらに、本発明は、
３）前記リッジ構造の傾斜面と平坦面との交差角度が９０度以上１５０度以下であることを特徴とする上記１〜２記載の発光ダイオード。
【００２０】
さらに、本発明は、
４）前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする上記１〜３記載の発光ダイオード。
【００２１】
さらに、本発明は、
５）前記リッジ構造において二つの傾斜面によってＶ字溝を形成することを特徴とする上記１〜４記載の発光ダイオード。
【００２２】
さらに、本発明は、
６）前記半導体が閃亜鉛鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛００１｝面と｛１１１｝面であることを特徴とする上記１〜５記載の発光ダイオード。
【００２３】
さらに、本発明は、
７）前記半導体がウルツ鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛０００１｝面と｛１０１―１｝面であることを特徴とする上記１〜５記載の発光ダイオード。
【００２４】
さらに、本発明は、
８）前記リッジ構造が、前記光取出し側の表面層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする上記１〜７記載の発光ダイオード。
【００２５】
さらに、本発明は、
９）前記リッジ構造が、ストライプ状の絶縁膜パターンをマスクに用いて、選択再成長法によって形成されることを特徴とする上記１〜７記載の発光ダイオード。
【００２６】
さらに、本発明は、
１０）光取出し面の反対側の前記障壁層の下に分布ブラッグ反射鏡を備えることを特徴とする上記１〜９記載の発光ダイオード。
これは、基板上に、分布ブラッグ反射鏡と、第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを順次積層させることによって実現することができる。この場合、第２導電型障壁層側の表面は光取出し面となる。
【００２７】
さらに、本発明は、
１１）光取出し面の反対側の前記障壁層の下に金属ミラーを備えることを特徴とする請求項１〜９記載の発光ダイオード。
これは、基板上に、第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを順次積層させた後、発光ダイオード試料を反転して、第２導電型障壁層側を下向きにし、反射率の高い金属薄膜（金属ミラー）を間に挟んで、他の支持基板上に貼り付け、その後、前記基板を除去した後の試料表面上に、前記リッジ構造を形成することにより、実現することができる。この場合、第１導電型障壁層側の表面は光取出し面となる。
【００２８】
さらに、本発明は、
１２）前記リッジ構造の表面上に、光取出し側の最表面の半導体層より屈折率の小さい膜が前記リッジ構造の平坦面及び前記リッジ構造の傾斜面の少なくも一部を覆うように形成されていることを特徴とする上記１〜１１記載の発光ダイオード。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、平坦な半導体ウエハー表面上に微細なリッジ構造を作製し、前記リッジ構造において発現するエバネッセント光の干渉現象を利用して、ＬＥＤの光取出し効率を向上させることができる。また、本発明の発光ダイオード（ＬＥＤ）によれば、従来の構造においてエバネッセント光の干渉現象を利用できる活性層の面積が少ないという問題点を大幅に改善することができ、ウエハーの利用効率を大きく向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来のリッジ構造を備えた発光ダイオードの断面模式図である。
【図２】表面に屈折率の小さい薄膜が堆積されている従来のリッジ構造を備えた発光ダイオードの断面模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの断面模式図である。
【図４】有限差分時間領域法による電磁波強度分布のシミュレーション結果である。図中の数値は点光源とリッジ構造中心との距離を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態による発光ダイオードの断面模式図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による発光ダイオードの断面模式図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
ここで、図３〜６を用いて、本発明の実施形態について詳しく説明する。
図３は、第１の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。この試料は次の方法によって作製することができる。まず、平坦な基板２０１上に、有機金属気相エピタキシー（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシーなどのエピタキシャル成長法を用いて、第１導電型の障壁層２０２、発光層となる活性層２０４、第２導電型の障壁層２０３を順次成長させる。基板としては、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの場合、ＧａＡｓなどを、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤの場合、サファイア、炭化珪素、シリコンなどを用いることができる。
【００３２】
次に、前記の方法によって得られた表面が平坦なエピタキシャルウエハー上に、エッチング又は選択再成長などの方法を用いて、一つの平坦面と二つの傾斜面を有するリッジ構造をアレイ状に形成することができる。
隣り合うリッジ構造間に平坦な部分が残ると、その直下で発生した光をエバネッセント光の干渉現象を利用して外部に取り出すことができない。したがって、エバネッセント光の干渉現象を最大限発現させるためには、リッジ構造の二つの傾斜面はＶ字型の溝をなすことが望ましい。そして、本発明において、リッジ構造形成時の活性層へのダメージを避けるために、リッジ構造の最も低い地点、すなわち図３のＶ字型溝の底が活性層に達しないことが好ましい。
また、前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より０．１μｍ以上離れていること（すなわち、ｔ＞０．１μｍ）が望ましい。０．１μｍ未満では、特に、リッジ構造の形成にドライエッチング法を用いた場合、活性層へのダメージを十分に避けることができないからである。
【００３３】
ここで、図１に示す従来構造と図３に示す本発明の構造とのエバネッセント光の干渉現象を利用できる活性層面積の割合を比較する。
まず、図１の従来構造について、活性層の表面占有率Ｓ０（％）を、「リッジ構造の周期」に占める「活性層の横幅」の割合と定義する。簡単な幾何学的考察から、図１の試料のリッジ構造の周期Ｐは、リッジ平坦面幅Ｗ、Ｖ字型溝の深さｄ、平坦面と傾斜面との交差角度αを用いて、次のように表すことができる：Ｐ＝２ｄ×ｔａｎ（α−９０°）＋Ｗ。したがって、活性層の表面占有率はＳ０（％）＝Ｗ／（２ｄ×ｔａｎ（α−９０°）＋Ｗ）×１００となる。
【００３４】
次に、図１のような構造を持つ可視光発光ダイオードの活性層の表面占有率Ｓ０の値を見積もる。
発光波長５９０〜６６０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系赤・黄色ＬＥＤにおいて、リッジ構造の横幅Ｗを０．５μｍ程度に設定する。また、Ｖ字型溝の深さｄは、発光ダイオード構造に必要な膜厚やエバネッセント光干渉現象の発現効率を考慮して、１μｍ以上に設定する。さらに、傾斜面と平坦面との交差角度αは、エッチングや選択成長によって容易に得られる{００１}平坦面と{１１１}傾斜面を有するリッジ構造の値α＝１２６°を用いる。これらの値より、活性層の表面占有率Ｓ０は約２６％程度となる。
発光波長４００〜４５０ｎｍのＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤにおいては、{０００１}平坦面と{１０１−１}傾斜面を有するリッジ構造が選択成長によって容易に得られ、傾斜面と平坦面との交差角度αは約１１８°である。また、平坦面幅Ｗ〜０．３μｍ、Ｖ字型溝の深さｄ〜０．６μｍの場合、強いエバネッセント光の干渉現象が発現することは理論シミュレーションによって判明している。上記の値から、ＩｎＧａＮデバイスの活性層の表面占有率Ｓ０は約３２％程度となった。
以上の結果から、図１の構造における活性層の表面占有率Ｓ０は、ＡｌＧａＩｎＰ系及びＩｎＧａＮ系のいずれの場合も、３０％程度であり、従来公知の平坦基板デバイス（Ｓ＝１００％）の１／３から１／４程度しかないことが分かる。
【００３５】
次に、有限差分時間領域法という電磁波強度解析技術を用いて、図３の構造におけるエバネッセント光の干渉現象が発現可能な領域を調べた。方法として、点光源を活性層に配置し、それをリッジ構造の中心から離していく時の電磁波の放射パターンの変化をシミュレーションした。
シミュレーションでは、｛００１｝面ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＩｎＰ系デバイスをモデルとして想定し、リッジ構造は｛００１｝平坦面と｛１１１｝傾斜面を有するものとした。また、物性パラメータを、リッジ平坦面幅Ｗ＝０．５μｍ、リッジ平坦面と傾斜面との交差角度α＝１２６°、Ｖ字型溝の深さｄ＝０．８μｍ、リッジ平坦面表面から活性層までの膜厚ｔ＋ｄ＝０．９μｍ、第２導電型層２０３の屈折率ｎ＝３．３、発光波長λ＝６５０ｎｍとした。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、点光源がリッジ構造の中心にあるときに、エバネッセント光の干渉による伝播光は、リッジ構造平坦面の垂直方向に放射される。また、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、点光源の位置がリッジ構造の中心からずれてくると、伝播光はリッジ平坦面の垂直方向から離れる方向に放射されるが、リッジ構造中心との距離が０．５μｍになるまでは、エバネッセント光の干渉が観測できた。しかし、図３（ｅ）に示すように、リッジ構造中心との距離が０．６μｍ以上になると、エバネッセント光の干渉はなくなった。
また、この場合、エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層面占有率Ｓ１は、Ｓ１＝「エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層領域の幅」/「リッジ構造の周期」＝（２×０．５）／（２×０．８ｔａｎ３６°＋０．５）×１００＞６０％となり、図１の形状基板選択成長試料に比べて、２倍以上向上したことが分かる。
また、上記の定義から分かるように、「エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層面占有率Ｓ１」はリッジ平坦面と傾斜面との交差角度αに依存する。他のパラメータを固定し、角度αだけを変化させてシミュレーションを行った結果、活性層面占有率Ｓ１は角度αの増加とともに減少し、角度αが１５０°以上になるとＳ１は約３０％になり、図１の形状基板上への選択成長の場合とほぼ同程度になることが分かった。したがって、角度αは１５０°以下である必要がある。
さらに、ここで示していないが、｛０００１｝面を平坦面、｛１０１−１｝面を傾斜面に持つＩｎＧａＮ系リッジ構造においても、同様な結果が得られている。
【００３７】
図５は、第２の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。この実施形態では、基板２０１と第１導電型障壁層２０２との間に分布ブラッグ反射鏡２２０が挿入されている。分布ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる二種の材料が、λ／４ｎ１、λ／４ｎ２（ｎ１、ｎ２は材料の屈折率）の膜厚で積層した周期構造であり、波長λ付近の垂直入射光を１００％に近い反射率で反射させることができる。
材料の組み合わせとしては、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードの場合、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰなどを用いることができる。また、ＩｎＧａＮ発光ダイオードの場合、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いることが可能である。この構造において、活性層の下方へ放射された光の一部は、分布ブラッグ反射鏡によって上方へ反射された後、再びリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉効果によって空気中に取り出される。これによって、さらに高い光取出し効率の実現が可能となる。
【００３８】
図６は、第３の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。まず、第１の実施形態のように成長した表面が平坦なエピタキシャルウエハー表面上に、発光波長において高い反射率を示す金属ミラー２２２、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕなどを真空蒸着やスパッタリングなどの成膜方法を用いて形成する。次に、上記試料をその表面側を下向きにして共晶ボンディング技術を用いて、他の支持基板２２１上に貼り付ける。支持基板としては、ＡｌＧａＩｎＰの場合、ＧａＰ、Ｓｉ、Ｃｕなどを用いることができる。また、ＩｎＧａＮの場合、Ｓｉ、Ｃｕ、ＡｌＮ、アルミナセラミックスなどを用いることが可能である。次に、成長を用いた基板を選択的に除去した後の試料表面上にリッジ構造をアレイ状に形成する。ここで、基板の除去方法として、ＧａＡｓ基板上に成長したＡｌＧａＩｎＰの場合、ウェットエッチング法（エッチング液：アンモニア水+過酸化水素水）を用いることができる。また、サファイア基板上に成長したＩｎＧａＮの場合、レーザーリフトオフ法を用いることが可能である。このような構造の場合、金属ミラーは分布ブラッグ反射鏡のような反射率の入射角度依存性がなく、全ての入射角の光に対して高い反射率を示す。また、金属ミラーとリッジ構造間の多重反射効果も期待できる。これらの効果によって、この実施形態は第２の実施形態に比べてさらに高い光取出し効率が期待できる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。
【実施例１】
【００４０】
図７を用いて、本発明の第１の実施例のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、［１１０］方向に５度傾斜したｎ型のＧａＡｓ（００１）微傾斜基板３０１上にＭＯＶＰＥ法を用いて、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２（〜０．１μｍ、ｎ＝４ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０３（〜０．５μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．１μｍ）、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ（７ｎｍ）単一または多重量子井戸活性層３０５、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．０５μｍ）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０６（〜０．１μｍ、ｐ＝４ｘ１０１７ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ窓層３０７（〜０．６μｍ、ｐ＝３ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層３０８（〜２０ｎｍ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３）を順次成長させた。結晶成長は６３０〜６４０℃の温度において行った。
ここで、ＭＯＶＰＥの原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、ターシャリブチルフォスフィン（ＴＢＰ）を用いた。また、上記以外のＭＯＶＰＥ原料として、例えば、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）などを用いることもできる。
ＡｌＧａＡｓは、他の窓層材料、例えばＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰに比べて、ウェットエッチング法によるリッジ構造形成が簡単である特徴を有する。
【００４１】
次に、上記の方法で成長させたウエハー表面上に、フォトリソグラフィーまたはナノインプリントリソグラフィーを用いて、フォトレジストまたは樹脂のライン（Ｌｉｎｅ）／スペース（Ｓｐａｃｅ）パターン３０９を［１−１０］方向に形成した。ここで、ライン幅Ｓは０．２〜０．４μｍ、パターン周期（Ｓ+Ｌ）は１．２〜１．４μｍ程度とした。
次に、上記のレジストまたは樹脂パターンをマスクとして用いて、ＧａＡｓキャップ層およびＡｌＧａＡｓ窓層をｐ型ＡｌＩｎＰ障壁層に達するまで、ウェットエッチングした。エッチング液として、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ系やＨ３ＰＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ系などを用いることができる。
これによって、５度傾斜した（００１）面を平坦面、（１１１）Ａ面を傾斜面とするリッジ構造が試料表面上に形成した。このように形成した（００１）面の横幅は０．４〜０．６μｍであった。この場合、二つの傾斜面は平坦面に対して多少左右非対称になっているが、エバネッセント光の干渉現象の発現に影響がないことはシミュレーションにより確認されている。
【００４２】
次に、上記リッジ構造表面上に厚さ１００ｎｍ〜２００ｎｍの酸化インジウ・酸化スズ（ＩＴＯ）透明導電膜３１０を、マグネトロンスパッタリング法を用いて堆積した。ここで、ＩＴＯ膜は電流注入時の電流拡散層として機能するとともに、エバネッセント光の二重干渉効果を発現させることにより光の取り出し効率をさらに増大させる働きもする。
その後、試料の裏面全面にｎ型電極３１１となるＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、また図示していないが、表面側の所定位置にｐ型電極・ボンディングパッドとなるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕをそれぞれ真空蒸着した。そして、最後に、試料を４５０度で１０分間アニール処理を行い、ＩＴＯ膜の透過率、電気特性を向上させるとともにオーミック接触を形成した。
以上のプロセスによって、デバイスの作製が完了する。
【実施例２】
【００４３】
図８を用いて、本発明の第２の実施例のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
図８（ａ）に示すように、実施例１と同じＭＯＶＰＥ成長法を用いて、以下のエピタキシャル層を［１１０］方向に５度傾斜したｎ型のＧａＡｓ（００１）微傾斜基板３０１上に順次積層した：Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２（〜０．１μｍ、ｎ＝４ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ／ＡｌＡｓ）ｘ２５周期の分布ブラッグ反射鏡３２０、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０３（〜０．５μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．１μｍ）、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ（７ｎｍ）単一または多重量子井戸活性層３０５、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．０５μｍ）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０６（〜０．１μｍ、ｐ＝４ｘ１０１７ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ窓層３０７（〜０．６μｍ、ｐ＝３ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層３０８（〜２０ｎｍ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３）。
ここで、分布ブラッグ反射鏡の中心波長が６５０ｎｍとなるように、Ａｌ０．５Ｇａ０．５ＡｓとＡｌＡｓの膜厚を調整した。
【００４４】
次に、実施例１と同じプロセスを用いて、表面側（光取出し面側）にリッジ構造およびＩＴＯ透明電極３１０、また裏面側にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極３１１を形成した。
前述するように、このデバイスにおいて下方へ放射される光の一部は分布ブラッグ反射３２０によって上方へ反射された後、再度リッジ構造におけるエバネッセント光の干渉効果によって外部に取り出されるので、分布ブラッグ反射鏡のない構造よりも高い光取出し効率が得られた。
【実施例３】
【００４５】
図９を用いて、本発明の第３の実施例のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
まず、図９（ａ）に示すように、実施例１と同じＭＯＶＰＥ成長法を用いて、以下のエピタキシャル層を［１１０］方向に５度傾斜したｎ型のＧａＡｓ（００１）微傾斜基板３０１上に順次積層させた：Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２（〜０．１μｍ、ｎ＝４ｘ１０１８ｃｍ−３）、ＳｉドープＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストッパー層３３０（〜０．１μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓオーミックコンタクト層３３１（〜２０ｎｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ窓層３３２（〜０．６μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ＳｉドープＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０３（〜０．１μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．０５μｍ）、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ（７ｎｍ）単一または多重量子井戸活性層３０５、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．１μｍ）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０６（〜１μｍ、ｐ＝４ｘ１０１７ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層／オーミックコンタクト層３０８（〜２０ｎｍ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３）。
次に、上記試料表面上に金属ミラーとなるＡｇ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）多層膜を真空蒸着法により形成した。なお、Ａｇはｐ型オーミック電極としても機能する。また、金属ミラーの材料として、反射率が高い金属や合金であればよく、ＡｎＺｎやＡｕＢｅなどを用いることができる。
【００４６】
次に、図９（ｂ）に示すように、上記ウエハーの表面側をした向きにして、ＡｕＳｎ３４１合金が予め蒸着されているＧａＡｓ支持基板３４０上に共晶ボンディング技術によって、上記ウエハーを接着した。
次に、エピタキシャル成長に用いた基板３０１を機械的研磨により１００μｍ程度薄くした後、アンモニア水：過酸化水素水＝１：２０の液によるウェットエッチングによって除去した。次に、塩酸液を用いてＡｌＩｎＰエッチングストッパー層３３０を選択的に除去し、ｎ型のＧａＡｓオーミックコンタクト層３３１を露出させた。
次に、実施例１と同様な方法を用いて、ｎ型のＧａＡｓオーミックコンタクト層３３１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ窓層３３２をエッチングし、表面上（光取出し側）にリッジ構造を形成した。
最後に、光取出し側に透明電極３１０、支持基板の裏面にｐ型電極となるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属膜３４２の蒸着、アロイ処理を行い、デバイスの作製が完了する。
【実施例４】
【００４７】
図１０を用いて、本発明の第４の実施例のＩｎＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
まず、ＭＯＶＰＥ法を用いて（０００１）面のサファイア基板４００上に、ＧａＮ低温バッファー層（〜４０ｎｍ）４０１を５５０〜６００℃の温度で成長させた。その後、成長温度を１０４０℃に上げて、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ障壁層（ｎ＝２ｘ１０１８ｃｍ−３）４０２を約４μｍ成長させた。次に、温度を約７６０℃に下げて、ＧａＮ（１０ｎｍ）／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（３ｎｍ）の単一または多重量子井戸活性層４０３を成長させた後、温度を１０４０℃に上げて、ＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ電子ブロック層（〜２０ｎｍ）４０４、ＭｇドープＧａＮ障壁層（〜１００ｎｍ）を成長させた。ここで、ＭＯＶＰＥの原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）を用いた。
【００４８】
次に、上記試料表面上にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ１００ｎｍ程度のＳｉＯ２膜を堆積させた。その後、フォトリソグラフィーまたはナノインプリントリソグラフィーを用いて、［１１２−０］方向に幅０．２μｍ程度、周期０．８μｍ程度のＳｉＯ２のストライプ状パターン４０６を形成した。次に、試料をＭＯＶＰＥ装置に戻して、上記ＳｉＯ２パターンをマスクとして用いてＭｇドープのｐ型ＧａＮ層４０７を選択成長させた。これによって、（０００１）を平坦面、（１０１−１）面を傾斜面とするリッジ構造を形成した。ここで、リッジの高さが０．５μｍ程度のなるように成長時間を調整する。また、活性層へのダメージを避けるため、再成長は８００〜９００℃の比較的低い温度で行うのが望ましい。
次に、上記試料表面上に厚さ１００〜２００ｎｍのＩＴＯ透明導電膜４０９をマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。その後、上記試料の所定の場所をｎ型ＧａＮ障壁層４０２に達するまでドライエッチングし、ｎ型電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）４０８を形成した。最後に、ＩＴＯ透明導電膜の所定の場所にｐ型電極４１０（Ｔｉ／Ａｕ）を形成し、デバイスの作製が完了する。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の発光ダイオードは、平坦な光取出し側の表面上に形成された微細なリッジ構造において発現するエバネッセント光の干渉効果を利用して、デバイスの光取り出し効率を向上させるためのものであり、従来の平坦表面デバイスを遥かに超える光取出し効率を容易に実現することができる。また、本発明の発光ダイオードは、形状基板上への選択成長により作製したリッジ構造を備えるデバイスに比べて、エバネッセント光の干渉効果が発言可能な活性層面積が倍以上高くなっており、ウエハーの利用効率を大幅に向上させることができる。さらに、本発明の発光ダイオードは、機械的方法による特殊形状加工のような複雑な製造プロセスを必要とせず、低コスト化に大きく貢献できるので、発光ダイオード作製に極めて有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１：基板
１０２：活性層
１０３：障壁層
１０４：エバネッセント光
１０５：空気伝播光
１０６：傾斜面の法線
１０７：全反射臨界角
１０８：リッジ構造の中心線
１０９：屈折率の小さい薄膜
２０１：基板
２０２：障壁層（ｎ型）
２０３：障壁層（ｐ型）
２０４：活性層
２０５：エバネッセント光
２０６：空気伝播光
２０７：リッジ構造の中心線
２０８：全反射臨界角
２０９：傾斜面の法線
２１０：点光源
２１１：空気伝播光の放射方向
２２０：分布ブラッグ反射鏡
２２１：支持基板
２２２：金属ミラー
３０１：ＧａＡｓ基板
３０２：ＧａＡｓバッファー層
３０３：ＡｌＩｎＰ障壁層（ｎ型）
３０４：ＡｌＧａＩｎＰ障壁層
３０５：量子井戸活性層
３０６：ＡｌＩｎＰ障壁層（ｐ型）
３０７：ＡｌＧａＡｓ窓層（ｐ型）
３０８：ＧａＡｓキャップ層
３０９：レジストまたは樹脂パターン
３１０：透明電極
３１１：ｎ型電極
３２０：分布ブラッグ反射鏡
３３０：ＡｌＩｎＰエッチングストッパー層
３３１：ＧａＡｓオーミックコンタクト層（ｎ型）
３３２：ＡｌＧａＡｓ窓層（ｎ型）
３３３：金属ミラー
３４０：支持基板（ＧａＡｓ）
３４１： ＡｕＳｎ
３４２：ｐ電極
４００：サファイア基板
４０１：低温バッファー層
４０２：ｎ型ＧａＮ障壁層
４０３：量子井戸活性層
４０４：ＡｌＧａＮ電子ブロック層
４０５：ｐ型ＧａＮ障壁層
４０６：ＳｉＯ２ストライプパターン
４０７：再成長ＧａＮ層
４０８：ｎ型電極
４０９：透明電極
４１０：ｐ型電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、特に化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオードに関し、より詳しくは微細なリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉現象を利用し、光の外部への取出し効率を改善した半導体発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体（ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＮなど）を材料に用いた発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、白熱電球や蛍光灯に取って代わる省エネルギー・長寿命の照明光源として期待され、その本格的な普及に向けた研究開発が世界的に行われている。
【０００３】
ＬＥＤのエネルギー変換効率は、一般的に結晶の品質によって決まる内部量子効率と光の外部への取出し効率の積によって決まる。内部量子効率に関しては、近年の結晶成長技術の進歩によって、発光波長にもよるが、飛躍的な向上が見られる。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ（発光波長約６５０ｎｍ）やＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤ（発光波長約４５０ｎｍ）の内部量子効率は、いずれも８０％を超えている。
【０００４】
これに対して、半導体内部で発生した光（自然放出光）を効率よく外部へ取り出すことは非常に困難であり、これがＬＥＤの発光効率向上を妨げる最大の要因となっている。これは、半導体と空気との界面において、半導体材料の高い屈折率に起因する光の全反射が存在するため、半導体内部で発生した光を効率よく外部へ取り出すことができないためである。
【０００５】
例えば、最表面層が平坦な構造のＬＥＤの場合、全反射の臨界角θＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）（ｎ：半導体の屈折率）より小さい角度で界面に入射する光しか外部へ取り出すことができない。その量は活性層で発生した光の数パーセント（２〜４％）にすぎない。なお、臨界角θＣによって決定される円錐は、一般に、取出し円錐と呼ばれている。
【０００６】
ＬＥＤの光取出し効率を向上させるため、これまでに様々な全反射を抑制する技術が開発されてきた。例えば、１）空気より屈折率の大きい樹脂でＬＥＤを封止する技術、２）ＬＥＤを機械的な方法で逆角錐のような特殊な形状に加工して取出し円錐の数を増やす技術（非特許文献１参照）、３）フォトニック結晶構造を用いて、導波モードの光を回折させることによって、その伝搬方向を変化させる技術（特許文献１参照）、４）ＬＥＤ表面に意図的に微小凹凸を形成し、光の反射角度を変化させる技術、がある。
【０００７】
しかし、これらの従来技術は、１）屈折率の大きいＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤにおいて、５０％以上の取出し効率の実現が困難であること、２）製造プロセスが複雑で、生産コストの削減に不利である、などの問題が生じる。したがって、より高効率で、より簡便な光取出し技術の開発が望まれている。
【０００８】
我々は、これまでに、複数の結晶面を有する形状基板上に選択的に成長させた微細なリッジ構造を備えるＬＥＤを開発した（非特許文献２、３参照）。このＬＥＤにおいて、リッジ構造の形状が特定の条件を満たせば、発光層となる活性層で発生した光がリッジ構造の二つの傾斜面で全反射する際に生じたエバネッセント光がリッジ構造の頂上で互いに干渉し、非常に高い効率で、空気伝播光に変換されることを見出した。
【０００９】
具体的には、図１に示されるように、リッジ構造は隣接する二つのＶ字型の溝の間に形成される。このような形状は、Ｖ字型の溝加工を施した半導体基板上に、又はストライプ状の絶縁膜マスクをもつ基板上に、半導体（活性層など）をエピタキシャル成長させることによって加工することができる。この場合、活性層はエピタキシャル成長中にリッジ構造の頂上平坦面部に選択的に形成される。
【００１０】
活性層の中心Ｃから発生した光が、全反射の臨界角θＣの角度でリッジ構造の傾斜面と空気との界面に入射すると、全反射に伴って界面の近傍にエバネッセント光１０４と呼ばれる特殊な電磁波が発生する。両側面の２つのエバネッセント光が、界面に沿ってリッジ構造の頂上に向かって移動し、リッジ構造の頂上に到達すると、互いに干渉し、効率よく伝播光１０５に変換され空気中に放出される。
【００１１】
この現象を効率よく発現させるためには、リッジ構造の幾何学的形状において２つの重要な条件を満たさなければならない。１）リッジ構造平坦面の横幅Ｗが発光波長λと同程度か又は少し小さい場合に、エバネッセント光の干渉が最も強く現れ、一方、横幅Ｗが２λを超えるとほぼなくなることが、フォトルミネセンスによる発光特性評価及び理論シミュレーションによって判明している。したがって、リッジ構造平坦面の横幅Ｗは２λ以下とする必要がある。２）エバネッセント光は、界面に沿って波長程度の距離を進んだ後、すぐに半導体の内部に戻る性質がある。したがって、活性層の中心Ｃからの光がθＣの角度で界面に到達する地点、すなわち全反射する最短の地点、と平面となる地点までの距離Ｌが発光波長より短くなければならない。この条件は、一般的に成長方向における活性層の位置を調整することによって満たすことが可能である。
【００１２】
また、図２に示されるように、リッジ表面上に最表面の半導体層より屈折率の小さい薄膜１０９を堆積させると、半導体１０３／屈折率の小さい薄膜１０９、及び、屈折率の小さい薄膜１０９／空気、という二つの界面でエバネッセント光が発生し、エバネッセント光の干渉が二つの界面で二重に起きることも判明している。これによって、空気中に放射される伝播光の割合が増加し、光の取出し効率が屈折率の小さい薄膜がない場合に比べて、１．３〜１．５倍に向上される。ここで、屈折率の小さい薄膜として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜などの絶縁膜や酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電膜を用いることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−３１１６８７
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】M. R. Krames, M. Ochiai-Holcomb, G.E. Hofler, C. Carter-coman, E.I. Chen, I. -H. Tan, P. Grilot, N.F. Gardner, H.C. Chui, J.-W. Huang, S. A. Stockman, F. A. Kish, T. S. Tan, C. P. Kocot M. Hueschen, J. Posselt, B. Loh, G. Sasser, and D. Collins, “High-power truncated-inverted-pyramid (AlxGal-x)0.5In0.5P/GaP light-emitting diodes exhibiting ＞50% external quantum efficiency”, Applied Physics Letters, Vol. 75 (1999) 2365-2367.
【非特許文献２】X.-L. Wang, S. Furue, M. Ogura, V. Voliotis, M. Ravaro, A. Enderlin, and R. Grousson, “Ultrahigh Spontaneous Emission Extraction Efficiency Induced by Evanescent Wave Coupling”, Applied Physics Letters, Vol. 94 (2009) 091102-1-3.
【非特許文献３】王学論、Alexandre Enderlin, Marco Ravaro, 「凹凸基板におけるエバネッセント光の結合による半導体発光の超高効率取り出し」、第５７回応用物理学関係連合講演会予稿集、pp.14-240。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、前記のような複数の結晶面を有する形状基板上への選択成長によるリッジ構造には、以下のような問題点が存在する。すなわち、発光層となる活性層は選択成長中にリッジ構造の頂上付近に形成されるため、活性層の平坦部は面内方向において離散して（切れ切れになって）おり、従来の平坦基板上に成長したデバイスに比べて、発光領域の全体的な面積が少ないという問題点がある。そのため、ウエハーの利用効率が悪くなり、コストの削減にとって不利になることが考えられる。
【００１６】
本発明は、上記の問題点を克服するためになされたものであり、その目的は高い活性層の表面占有率を十分に確保すると同時に、エバネッセント光の干渉による高い光取出し効率の実現が可能なＬＥＤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以上から、本発明は、
１）順次積層させた第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１）前記リッジ構造の平坦面の横幅Ｗが２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層の中心Ｃ（リッジ構造の中心線と活性層との交点）からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点（傾斜面の法線方向からθＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）[ｎ：半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Ｃから傾斜面に向かう線（平坦面に近い側）と傾斜面との交点）から平坦面までの距離Ｌがλ（λ：発光波長）以下であること、（３）前記活性層が平坦で、連続的あること、（４）前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層に達しないこと、を特徴とする発光ダイオード。
また、活性層が多重量子井戸の場合、全ての量子井戸が上記（１）〜（４）の条件を満たすことが望ましい。
【００１８】
さらに、本発明は、
２）前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より０．１μｍ以上離れていること、を特徴とする上記１記載の発光ダイオード。
【００１９】
さらに、本発明は、
３）前記リッジ構造の傾斜面と平坦面との交差角度が９０度以上１５０度以下であることを特徴とする上記１〜２記載の発光ダイオード。
【００２０】
さらに、本発明は、
４）前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする上記１〜３記載の発光ダイオード。
【００２１】
さらに、本発明は、
５）前記リッジ構造において二つの傾斜面によってＶ字溝を形成することを特徴とする上記１〜４記載の発光ダイオード。
【００２２】
さらに、本発明は、
６）前記半導体が閃亜鉛鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛００１｝面と｛１１１｝面であることを特徴とする上記１〜５記載の発光ダイオード。
【００２３】
さらに、本発明は、
７）前記半導体がウルツ鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛０００１｝面と｛１０１―１｝面であることを特徴とする上記１〜５記載の発光ダイオード。
【００２４】
さらに、本発明は、
８）前記リッジ構造が、前記光取出し側の表面層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする上記１〜７記載の発光ダイオード。
【００２５】
さらに、本発明は、
９）前記リッジ構造が、ストライプ状の絶縁膜パターンをマスクに用いて、選択再成長法によって形成されることを特徴とする上記１〜７記載の発光ダイオード。
【００２６】
さらに、本発明は、
１０）光取出し面の反対側の前記障壁層の下に分布ブラッグ反射鏡を備えることを特徴とする上記１〜９記載の発光ダイオード。
これは、基板上に、分布ブラッグ反射鏡と、第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを順次積層させることによって実現することができる。この場合、第２導電型障壁層側の表面は光取出し面となる。
【００２７】
さらに、本発明は、
１１）光取出し面の反対側の前記障壁層の下に金属ミラーを備えることを特徴とする請求項１〜９記載の発光ダイオード。
これは、基板上に、第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを順次積層させた後、発光ダイオード試料を反転して、第２導電型障壁層側を下向きにし、反射率の高い金属薄膜（金属ミラー）を間に挟んで、他の支持基板上に貼り付け、その後、前記基板を除去した後の試料表面上に、前記リッジ構造を形成することにより、実現することができる。この場合、第１導電型障壁層側の表面は光取出し面となる。
【００２８】
さらに、本発明は、
１２）前記リッジ構造の表面上に、光取出し側の最表面の半導体層より屈折率の小さい膜が前記リッジ構造の平坦面及び前記リッジ構造の傾斜面の少なくも一部を覆うように形成されていることを特徴とする上記１〜１１記載の発光ダイオード。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、平坦な半導体ウエハー表面上に微細なリッジ構造を作製し、前記リッジ構造において発現するエバネッセント光の干渉現象を利用して、ＬＥＤの光取出し効率を向上させることができる。また、本発明の発光ダイオード（ＬＥＤ）によれば、従来の構造においてエバネッセント光の干渉現象を利用できる活性層の面積が少ないという問題点を大幅に改善することができ、ウエハーの利用効率を大きく向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来のリッジ構造を備えた発光ダイオードの断面模式図である。
【図２】表面に屈折率の小さい薄膜が堆積されている従来のリッジ構造を備えた発光ダイオードの断面模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの断面模式図である。
【図４】有限差分時間領域法による電磁波強度分布のシミュレーション結果である。図中の数値は点光源とリッジ構造中心との距離を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態による発光ダイオードの断面模式図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による発光ダイオードの断面模式図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
ここで、図３〜６を用いて、本発明の実施形態について詳しく説明する。
図３は、第１の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。この試料は次の方法によって作製することができる。まず、平坦な基板２０１上に、有機金属気相エピタキシー（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシーなどのエピタキシャル成長法を用いて、第１導電型の障壁層２０２、発光層となる活性層２０４、第２導電型の障壁層２０３を順次成長させる。基板としては、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの場合、ＧａＡｓなどを、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤの場合、サファイア、炭化珪素、シリコンなどを用いることができる。
【００３２】
次に、前記の方法によって得られた表面が平坦なエピタキシャルウエハー上に、エッチング又は選択再成長などの方法を用いて、一つの平坦面と二つの傾斜面を有するリッジ構造をアレイ状に形成することができる。
隣り合うリッジ構造間に平坦な部分が残ると、その直下で発生した光をエバネッセント光の干渉現象を利用して外部に取り出すことができない。したがって、エバネッセント光の干渉現象を最大限発現させるためには、リッジ構造の二つの傾斜面はＶ字型の溝をなすことが望ましい。そして、本発明において、リッジ構造形成時の活性層へのダメージを避けるために、リッジ構造の最も低い地点、すなわち図３のＶ字型溝の底が活性層に達しないことが好ましい。
また、前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より０．１μｍ以上離れていること（すなわち、ｔ＞０．１μｍ）が望ましい。０．１μｍ未満では、特に、リッジ構造の形成にドライエッチング法を用いた場合、活性層へのダメージを十分に避けることができないからである。
【００３３】
ここで、図１に示す従来構造と図３に示す本発明の構造とのエバネッセント光の干渉現象を利用できる活性層面積の割合を比較する。
まず、図１の従来構造について、活性層の表面占有率Ｓ０（％）を、「リッジ構造の周期」に占める「活性層の横幅」の割合と定義する。簡単な幾何学的考察から、図１の試料のリッジ構造の周期Ｐは、リッジ平坦面幅Ｗ、Ｖ字型溝の深さｄ、平坦面と傾斜面との交差角度αを用いて、次のように表すことができる：Ｐ＝２ｄ×ｔａｎ（α−９０°）＋Ｗ。したがって、活性層の表面占有率はＳ０（％）＝Ｗ／（２ｄ×ｔａｎ（α−９０°）＋Ｗ）×１００となる。
【００３４】
次に、図１のような構造を持つ可視光発光ダイオードの活性層の表面占有率Ｓ０の値を見積もる。
発光波長５９０〜６６０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系赤・黄色ＬＥＤにおいて、リッジ構造の横幅Ｗを０．５μｍ程度に設定する。また、Ｖ字型溝の深さｄは、発光ダイオード構造に必要な膜厚やエバネッセント光干渉現象の発現効率を考慮して、１μｍ以上に設定する。さらに、傾斜面と平坦面との交差角度αは、エッチングや選択成長によって容易に得られる{００１}平坦面と{１１１}傾斜面を有するリッジ構造の値α＝１２６°を用いる。これらの値より、活性層の表面占有率Ｓ０は約２６％程度となる。
発光波長４００〜４５０ｎｍのＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤにおいては、{０００１}平坦面と{１０１−１}傾斜面を有するリッジ構造が選択成長によって容易に得られ、傾斜面と平坦面との交差角度αは約１１８°である。また、平坦面幅Ｗ〜０．３μｍ、Ｖ字型溝の深さｄ〜０．６μｍの場合、強いエバネッセント光の干渉現象が発現することは理論シミュレーションによって判明している。上記の値から、ＩｎＧａＮデバイスの活性層の表面占有率Ｓ０は約３２％程度となった。
以上の結果から、図１の構造における活性層の表面占有率Ｓ０は、ＡｌＧａＩｎＰ系及びＩｎＧａＮ系のいずれの場合も、３０％程度であり、従来公知の平坦基板デバイス（Ｓ＝１００％）の１／３から１／４程度しかないことが分かる。
【００３５】
次に、有限差分時間領域法という電磁波強度解析技術を用いて、図３の構造におけるエバネッセント光の干渉現象が発現可能な領域を調べた。方法として、点光源を活性層に配置し、それをリッジ構造の中心から離していく時の電磁波の放射パターンの変化をシミュレーションした。
シミュレーションでは、｛００１｝面ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＩｎＰ系デバイスをモデルとして想定し、リッジ構造は｛００１｝平坦面と｛１１１｝傾斜面を有するものとした。また、物性パラメータを、リッジ平坦面幅Ｗ＝０．５μｍ、リッジ平坦面と傾斜面との交差角度α＝１２６°、Ｖ字型溝の深さｄ＝０．８μｍ、リッジ平坦面表面から活性層までの膜厚ｔ＋ｄ＝０．９μｍ、第２導電型層２０３の屈折率ｎ＝３．３、発光波長λ＝６５０ｎｍとした。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、点光源がリッジ構造の中心にあるときに、エバネッセント光の干渉による伝播光は、リッジ構造平坦面の垂直方向に放射される。また、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、点光源の位置がリッジ構造の中心からずれてくると、伝播光はリッジ平坦面の垂直方向から離れる方向に放射されるが、リッジ構造中心との距離が０．５μｍになるまでは、エバネッセント光の干渉が観測できた。しかし、図３（ｅ）に示すように、リッジ構造中心との距離が０．６μｍ以上になると、エバネッセント光の干渉はなくなった。
また、この場合、エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層面占有率Ｓ１は、Ｓ１＝「エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層領域の幅」/「リッジ構造の周期」＝（２×０．５）／（２×０．８ｔａｎ３６°＋０．５）×１００＞６０％となり、図１の形状基板選択成長試料に比べて、２倍以上向上したことが分かる。
また、上記の定義から分かるように、「エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層面占有率Ｓ１」はリッジ平坦面と傾斜面との交差角度αに依存する。他のパラメータを固定し、角度αだけを変化させてシミュレーションを行った結果、活性層面占有率Ｓ１は角度αの増加とともに減少し、角度αが１５０°以上になるとＳ１は約３０％になり、図１の形状基板上への選択成長の場合とほぼ同程度になることが分かった。したがって、角度αは１５０°以下である必要がある。
さらに、ここで示していないが、｛０００１｝面を平坦面、｛１０１−１｝面を傾斜面に持つＩｎＧａＮ系リッジ構造においても、同様な結果が得られている。
【００３７】
図５は、第２の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。この実施形態では、基板２０１と第１導電型障壁層２０２との間に分布ブラッグ反射鏡２２０が挿入されている。分布ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる二種の材料が、λ／４ｎ１、λ／４ｎ２（ｎ１、ｎ２は材料の屈折率）の膜厚で積層した周期構造であり、波長λ付近の垂直入射光を１００％に近い反射率で反射させることができる。
材料の組み合わせとしては、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードの場合、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰなどを用いることができる。また、ＩｎＧａＮ発光ダイオードの場合、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いることが可能である。この構造において、活性層の下方へ放射された光の一部は、分布ブラッグ反射鏡によって上方へ反射された後、再びリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉効果によって空気中に取り出される。これによって、さらに高い光取出し効率の実現が可能となる。
【００３８】
図６は、第３の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。まず、第１の実施形態のように成長した表面が平坦なエピタキシャルウエハー表面上に、発光波長において高い反射率を示す金属ミラー２２２、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕなどを真空蒸着やスパッタリングなどの成膜方法を用いて形成する。次に、上記試料をその表面側を下向きにして共晶ボンディング技術を用いて、他の支持基板２２１上に貼り付ける。支持基板としては、ＡｌＧａＩｎＰの場合、ＧａＰ、Ｓｉ、Ｃｕなどを用いることができる。また、ＩｎＧａＮの場合、Ｓｉ、Ｃｕ、ＡｌＮ、アルミナセラミックスなどを用いることが可能である。次に、成長を用いた基板を選択的に除去した後の試料表面上にリッジ構造をアレイ状に形成する。ここで、基板の除去方法として、ＧａＡｓ基板上に成長したＡｌＧａＩｎＰの場合、ウェットエッチング法（エッチング液：アンモニア水+過酸化水素水）を用いることができる。また、サファイア基板上に成長したＩｎＧａＮの場合、レーザーリフトオフ法を用いることが可能である。このような構造の場合、金属ミラーは分布ブラッグ反射鏡のような反射率の入射角度依存性がなく、全ての入射角の光に対して高い反射率を示す。また、金属ミラーとリッジ構造間の多重反射効果も期待できる。これらの効果によって、この実施形態は第２の実施形態に比べてさらに高い光取出し効率が期待できる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。
【実施例１】
【００４０】
図７を用いて、本発明の第１の実施例のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、［１１０］方向に５度傾斜したｎ型のＧａＡｓ（００１）微傾斜基板３０１上にＭＯＶＰＥ法を用いて、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２（〜０．１μｍ、ｎ＝４ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０３（〜０．５μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．１μｍ）、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ（７ｎｍ）単一または多重量子井戸活性層３０５、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．０５μｍ）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０６（〜０．１μｍ、ｐ＝４ｘ１０１７ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ窓層３０７（〜０．６μｍ、ｐ＝３ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層３０８（〜２０ｎｍ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３）を順次成長させた。結晶成長は６３０〜６４０℃の温度において行った。
ここで、ＭＯＶＰＥの原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、ターシャリブチルフォスフィン（ＴＢＰ）を用いた。また、上記以外のＭＯＶＰＥ原料として、例えば、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）などを用いることもできる。
ＡｌＧａＡｓは、他の窓層材料、例えばＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰに比べて、ウェットエッチング法によるリッジ構造形成が簡単である特徴を有する。
【００４１】
次に、上記の方法で成長させたウエハー表面上に、フォトリソグラフィーまたはナノインプリントリソグラフィーを用いて、フォトレジストまたは樹脂のライン（Ｌｉｎｅ）／スペース（Ｓｐａｃｅ）パターン３０９を［１−１０］方向に形成した。ここで、ライン幅Ｓは０．２〜０．４μｍ、パターン周期（Ｓ+Ｌ）は１．２〜１．４μｍ程度とした。
次に、上記のレジストまたは樹脂パターンをマスクとして用いて、ＧａＡｓキャップ層およびＡｌＧａＡｓ窓層をｐ型ＡｌＩｎＰ障壁層に達するまで、ウェットエッチングした。エッチング液として、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ系やＨ３ＰＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ系などを用いることができる。
これによって、５度傾斜した（００１）面を平坦面、（１１１）Ａ面を傾斜面とするリッジ構造が試料表面上に形成した。このように形成した（００１）面の横幅は０．４〜０．６μｍであった。この場合、二つの傾斜面は平坦面に対して多少左右非対称になっているが、エバネッセント光の干渉現象の発現に影響がないことはシミュレーションにより確認されている。
【００４２】
次に、上記リッジ構造表面上に厚さ１００ｎｍ〜２００ｎｍの酸化インジウ・酸化スズ（ＩＴＯ）透明導電膜３１０を、マグネトロンスパッタリング法を用いて堆積した。ここで、ＩＴＯ膜は電流注入時の電流拡散層として機能するとともに、エバネッセント光の二重干渉効果を発現させることにより光の取り出し効率をさらに増大させる働きもする。
その後、試料の裏面全面にｎ型電極３１１となるＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、また図示していないが、表面側の所定位置にｐ型電極・ボンディングパッドとなるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕをそれぞれ真空蒸着した。そして、最後に、試料を４５０度で１０分間アニール処理を行い、ＩＴＯ膜の透過率、電気特性を向上させるとともにオーミック接触を形成した。
以上のプロセスによって、デバイスの作製が完了する。
【実施例２】
【００４３】
図８を用いて、本発明の第２の実施例のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
図８（ａ）に示すように、実施例１と同じＭＯＶＰＥ成長法を用いて、以下のエピタキシャル層を［１１０］方向に５度傾斜したｎ型のＧａＡｓ（００１）微傾斜基板３０１上に順次積層した：Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２（〜０．１μｍ、ｎ＝４ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ／ＡｌＡｓ）ｘ２５周期の分布ブラッグ反射鏡３２０、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０３（〜０．５μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．１μｍ）、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ（７ｎｍ）単一または多重量子井戸活性層３０５、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．０５μｍ）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０６（〜０．１μｍ、ｐ＝４ｘ１０１７ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ窓層３０７（〜０．６μｍ、ｐ＝３ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層３０８（〜２０ｎｍ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３）。
ここで、分布ブラッグ反射鏡の中心波長が６５０ｎｍとなるように、Ａｌ０．５Ｇａ０．５ＡｓとＡｌＡｓの膜厚を調整した。
【００４４】
次に、実施例１と同じプロセスを用いて、表面側（光取出し面側）にリッジ構造およびＩＴＯ透明電極３１０、また裏面側にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極３１１を形成した。
前述するように、このデバイスにおいて下方へ放射される光の一部は分布ブラッグ反射３２０によって上方へ反射された後、再度リッジ構造におけるエバネッセント光の干渉効果によって外部に取り出されるので、分布ブラッグ反射鏡のない構造よりも高い光取出し効率が得られた。
【実施例３】
【００４５】
図９を用いて、本発明の第３の実施例のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
まず、図９（ａ）に示すように、実施例１と同じＭＯＶＰＥ成長法を用いて、以下のエピタキシャル層を［１１０］方向に５度傾斜したｎ型のＧａＡｓ（００１）微傾斜基板３０１上に順次積層させた：Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２（〜０．１μｍ、ｎ＝４ｘ１０１８ｃｍ−３）、ＳｉドープＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストッパー層３３０（〜０．１μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓオーミックコンタクト層３３１（〜２０ｎｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ窓層３３２（〜０．６μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ＳｉドープＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０３（〜０．１μｍ、ｎ＝１ｘ１０１８ｃｍ−３）、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．０５μｍ）、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ（７ｎｍ）単一または多重量子井戸活性層３０５、ノンドープ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０４（〜０．１μｍ）、Ｚｎドープｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層３０６（〜１μｍ、ｐ＝４ｘ１０１７ｃｍ−３）、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層／オーミックコンタクト層３０８（〜２０ｎｍ、ｐ＝１ｘ１０１９ｃｍ−３）。
次に、上記試料表面上に金属ミラーとなるＡｇ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）多層膜を真空蒸着法により形成した。なお、Ａｇはｐ型オーミック電極としても機能する。また、金属ミラーの材料として、反射率が高い金属や合金であればよく、ＡｎＺｎやＡｕＢｅなどを用いることができる。
【００４６】
次に、図９（ｂ）に示すように、上記ウエハーの表面側をした向きにして、ＡｕＳｎ３４１合金が予め蒸着されているＧａＡｓ支持基板３４０上に共晶ボンディング技術によって、上記ウエハーを接着した。
次に、エピタキシャル成長に用いた基板３０１を機械的研磨により１００μｍ程度薄くした後、アンモニア水：過酸化水素水＝１：２０の液によるウェットエッチングによって除去した。次に、塩酸液を用いてＡｌＩｎＰエッチングストッパー層３３０を選択的に除去し、ｎ型のＧａＡｓオーミックコンタクト層３３１を露出させた。
次に、実施例１と同様な方法を用いて、ｎ型のＧａＡｓオーミックコンタクト層３３１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ窓層３３２をエッチングし、表面上（光取出し側）にリッジ構造を形成した。
最後に、光取出し側に透明電極３１０、支持基板の裏面にｐ型電極となるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属膜３４２の蒸着、アロイ処理を行い、デバイスの作製が完了する。
【実施例４】
【００４７】
図１０を用いて、本発明の第４の実施例のＩｎＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
まず、ＭＯＶＰＥ法を用いて（０００１）面のサファイア基板４００上に、ＧａＮ低温バッファー層（〜４０ｎｍ）４０１を５５０〜６００℃の温度で成長させた。その後、成長温度を１０４０℃に上げて、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ障壁層（ｎ＝２ｘ１０１８ｃｍ−３）４０２を約４μｍ成長させた。次に、温度を約７６０℃に下げて、ＧａＮ（１０ｎｍ）／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（３ｎｍ）の単一または多重量子井戸活性層４０３を成長させた後、温度を１０４０℃に上げて、ＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ電子ブロック層（〜２０ｎｍ）４０４、ＭｇドープＧａＮ障壁層（〜１００ｎｍ）を成長させた。ここで、ＭＯＶＰＥの原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）を用いた。
【００４８】
次に、上記試料表面上にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ１００ｎｍ程度のＳｉＯ２膜を堆積させた。その後、フォトリソグラフィーまたはナノインプリントリソグラフィーを用いて、［１１２−０］方向に幅０．２μｍ程度、周期０．８μｍ程度のＳｉＯ２のストライプ状パターン４０６を形成した。次に、試料をＭＯＶＰＥ装置に戻して、上記ＳｉＯ２パターンをマスクとして用いてＭｇドープのｐ型ＧａＮ層４０７を選択成長させた。これによって、（０００１）を平坦面、（１０１−１）面を傾斜面とするリッジ構造を形成した。ここで、リッジの高さが０．５μｍ程度のなるように成長時間を調整する。また、活性層へのダメージを避けるため、再成長は８００〜９００℃の比較的低い温度で行うのが望ましい。
次に、上記試料表面上に厚さ１００〜２００ｎｍのＩＴＯ透明導電膜４０９をマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。その後、上記試料の所定の場所をｎ型ＧａＮ障壁層４０２に達するまでドライエッチングし、ｎ型電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）４０８を形成した。最後に、ＩＴＯ透明導電膜の所定の場所にｐ型電極４１０（Ｔｉ／Ａｕ）を形成し、デバイスの作製が完了する。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の発光ダイオードは、平坦な光取出し側の表面上に形成された微細なリッジ構造において発現するエバネッセント光の干渉効果を利用して、デバイスの光取り出し効率を向上させるためのものであり、従来の平坦表面デバイスを遥かに超える光取出し効率を容易に実現することができる。また、本発明の発光ダイオードは、形状基板上への選択成長により作製したリッジ構造を備えるデバイスに比べて、エバネッセント光の干渉効果が発言可能な活性層面積が倍以上高くなっており、ウエハーの利用効率を大幅に向上させることができる。さらに、本発明の発光ダイオードは、機械的方法による特殊形状加工のような複雑な製造プロセスを必要とせず、低コスト化に大きく貢献できるので、発光ダイオード作製に極めて有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１：基板
１０２：活性層
１０３：障壁層
１０４：エバネッセント光
１０５：空気伝播光
１０６：傾斜面の法線
１０７：全反射臨界角
１０８：リッジ構造の中心線
１０９：屈折率の小さい薄膜
２０１：基板
２０２：障壁層（ｎ型）
２０３：障壁層（ｐ型）
２０４：活性層
２０５：エバネッセント光
２０６：空気伝播光
２０７：リッジ構造の中心線
２０８：全反射臨界角
２０９：傾斜面の法線
２１０：点光源
２１１：空気伝播光の放射方向
２２０：分布ブラッグ反射鏡
２２１：支持基板
２２２：金属ミラー
３０１：ＧａＡｓ基板
３０２：ＧａＡｓバッファー層
３０３：ＡｌＩｎＰ障壁層（ｎ型）
３０４：ＡｌＧａＩｎＰ障壁層
３０５：量子井戸活性層
３０６：ＡｌＩｎＰ障壁層（ｐ型）
３０７：ＡｌＧａＡｓ窓層（ｐ型）
３０８：ＧａＡｓキャップ層
３０９：レジストまたは樹脂パターン
３１０：透明電極
３１１：ｎ型電極
３２０：分布ブラッグ反射鏡
３３０：ＡｌＩｎＰエッチングストッパー層
３３１：ＧａＡｓオーミックコンタクト層（ｎ型）
３３２：ＡｌＧａＡｓ窓層（ｎ型）
３３３：金属ミラー
３４０：支持基板（ＧａＡｓ）
３４１： ＡｕＳｎ
３４２：ｐ電極
４００：サファイア基板
４０１：低温バッファー層
４０２：ｎ型ＧａＮ障壁層
４０３：量子井戸活性層
４０４：ＡｌＧａＮ電子ブロック層
４０５：ｐ型ＧａＮ障壁層
４０６：ＳｉＯ２ストライプパターン
４０７：再成長ＧａＮ層
４０８：ｎ型電極
４０９：透明電極
４１０：ｐ型電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順次積層させた第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１）前記リッジ構造の平坦面の横幅Ｗが２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層の中心Ｃ（リッジ構造の中心線と活性層との交点）からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点（傾斜面の法線方向からθＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）[ｎ：半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Ｃから傾斜面に向かう線（平坦面に近い側）と傾斜面との交点）から平坦面までの距離Ｌがλ（λ：発光波長）以下であること、（３）前記活性層が平坦で、連続的であること、（４）前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層に達しないこと、を特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より０．１μｍ以上離れていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記リッジ構造の傾斜面と平坦面との交差角度が９０度以上１５０度以下であることを特徴とする請求項１〜２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする請求項１〜３記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記リッジ構造において二つの傾斜面によってＶ字溝を形成することを特徴とする請求項１〜４記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記半導体が閃亜鉛鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛００１｝面と｛１１１｝面であることを特徴とする請求項１〜５記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記半導体がウルツ鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛０００１｝面と｛１０１―１｝面であることを特徴とする請求項１〜５記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記リッジ構造が、前記光取出し側の表面層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項１〜７記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記リッジ構造が、ストライプ状の絶縁膜パターンをマスクに用いて、選択再成長法によって形成されることを特徴とする請求項１〜７記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
光取出し面の反対側の前記障壁層の下に分布ブラッグ反射鏡を備えることを特徴とする請求項１〜９記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
光取出し面の反対側の前記障壁層の下に金属ミラーを備えることを特徴とする請求項１〜９記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記リッジ構造の表面上に、光取出し側の最表面の半導体層より屈折率の小さい膜が前記リッジ構造の平坦面及び前記リッジ構造の傾斜面の少なくも一部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１〜１１記載の発光ダイオード。
【請求項１】
順次積層させた第１導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第２導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１）前記リッジ構造の平坦面の横幅Ｗが２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層の中心Ｃ（リッジ構造の中心線と活性層との交点）からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点（傾斜面の法線方向からθＣ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）[ｎ：半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Ｃから傾斜面に向かう線（平坦面に近い側）と傾斜面との交点）から平坦面までの距離Ｌがλ（λ：発光波長）以下であること、（３）前記活性層が平坦で、連続的であること、（４）前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層に達しないこと、を特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より０．１μｍ以上離れていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記リッジ構造の傾斜面と平坦面との交差角度が９０度以上１５０度以下であることを特徴とする請求項１〜２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする請求項１〜３記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記リッジ構造において二つの傾斜面によってＶ字溝を形成することを特徴とする請求項１〜４記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記半導体が閃亜鉛鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛００１｝面と｛１１１｝面であることを特徴とする請求項１〜５記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記半導体がウルツ鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ｛０００１｝面と｛１０１―１｝面であることを特徴とする請求項１〜５記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記リッジ構造が、前記光取出し側の表面層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項１〜７記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記リッジ構造が、ストライプ状の絶縁膜パターンをマスクに用いて、選択再成長法によって形成されることを特徴とする請求項１〜７記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
光取出し面の反対側の前記障壁層の下に分布ブラッグ反射鏡を備えることを特徴とする請求項１〜９記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
光取出し面の反対側の前記障壁層の下に金属ミラーを備えることを特徴とする請求項１〜９記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記リッジ構造の表面上に、光取出し側の最表面の半導体層より屈折率の小さい膜が前記リッジ構造の平坦面及び前記リッジ構造の傾斜面の少なくも一部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１〜１１記載の発光ダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【図７ｄ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１０ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【図７ｄ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１０ｄ】
【公開番号】特開２０１２−３８９７７（Ｐ２０１２−３８９７７Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７８９４５（Ｐ２０１０−１７８９４５）
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]