垂直型発光素子
【課題】光抽出効率を向上させることができる垂直型発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】支持層70と、支持層上に位置する第1電極と、第1電極上に位置する複数の半導体層であって、第1電極上に位置するp型GaN層43と、p型GaN層上に位置する発光層42と、発光層上に位置するn型GaN層41と、を含む複数の半導体層と、n型GaN層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、光結晶層上に位置する第2電極と、を備える、垂直型発光素子。
【解決手段】支持層70と、支持層上に位置する第1電極と、第1電極上に位置する複数の半導体層であって、第1電極上に位置するp型GaN層43と、p型GaN層上に位置する発光層42と、発光層上に位置するn型GaN層41と、を含む複数の半導体層と、n型GaN層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、光結晶層上に位置する第2電極と、を備える、垂直型発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、垂直型発光素子に係り、特に、光抽出効率を向上させることができる垂直型発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)は、電流を光に変換させる周知の半導体発光素子で、1962年GaAsP化合物半導体を用いた赤色LEDが商品化したことを始めとして、GaP:N系列の緑色LEDも共に、情報通信機器をはじめとする電磁装置の表示画像用光源として用いられている。
【0003】
このようなLEDによって放出される光の波長は、LED製造に使われる半導体材料による。これは、放出された光の波長が価電子帯(valence band)の電子と伝導帯(conduction band)の電子間のエネルギー差を示す半導体材料のバンドギャップ(band gap)によるからである。
【0004】
窒化ガリウム化合物半導体(Gallium Nitride:GaN)は、高い熱安全性と幅広いバンドギャップ(0.8〜6.2eV)を持っていることから、高出力電子素子開発分野において大きく注目されてきた。その理由の一つに、GaNが他の元素(インジウム(In)、アルミニウム(Al)等)と組み合わせられて、緑色、青色及び白色光を放出する半導体層を製造できることがある。
【0005】
このように、放出波長を調節できるため、特定の装置特性に合わせて材料を用いることができる。例えば、GaNを用いて光記録に有益な青色LEDと、白熱灯に取って代わる白色LEDを作ることができる。
【0006】
また、従来の緑色LEDでは、当初GaPが用いられたが、間接遷移型材料であるがために効率が落ち、実用的な純緑色発光が得られなかった。しかし、InGaN薄膜成長に成功したことから、高輝度の緑色LEDの具現が可能になった。
【0007】
上記の利点及びその他の利点から、GaN系のLED市場が急速に成長している。したがって、1994年に商業的に導入されて以来、GaN系の光電子装置技術も急激に発達してきた。
【0008】
GaN発光ダイオードの効率は白熱灯の効率を凌駕し、現在は蛍光灯に近づく効率に達しており、よって、GaN系のLED市場は急速な成長を続けることが予想されている。
【0009】
このようなGaN素子技術の急速な発展にもかかわらず、GaN素子の製作にはコスト面において不利な点がある。これは、GaNエピタキシャル薄膜(epitaxial layers)を成長させ、続いて完成されたGaN系の素子を切断する上での困難さと関係している。
【0010】
GaN系の素子は、通常、サファイア(Al2O3)基板上に製造される。これは、サファイアウエハがGaN系の装置を大量生産するのに適した大きさで商用可能であり、比較的高品質のGaNエピタキシャル薄膜成長をサポートし、広範囲の温度処理能力を有するためである。
【0011】
なお、サファイアは、化学的に且つ熱的に安定しており、高温製造工程を可能にする高融点を有し、高い結合エネルギー(122.4Kcal/mole)と高い誘電定数を有する。化学的に、サファイアは結晶性アルミニウム酸化物(Al2O3)である。
【0012】
一方、サファイアは絶縁体であるため、サファイア基板(または、他の絶縁体基板)を使用する場合に利用可能なLED素子の形態は、実際に、水平(lateral)または垂直(vertical)構造に制限される。
【0013】
図1は、上述した一般のGaN系LEDのうち、水平型LED素子構造を示している。
【0014】
一般の水平型LED素子の構造は、サファイア基板1上にn型窒化ガリウム(GaN)層2、活性層(発光層)3及びp型窒化ガリウム(GaN)層4が順に配置されており、n型GaN層2が露出されるようにエッチングされた面にn型電極5が配置され、p型GaN層4にはp型電極6が配置されている。
【0015】
最近、GaNをベースとする半導体発光素子の研究では、輝度向上に主力を注いでいる。光素子の輝度向上のための研究は、大別すると、内部量子効率を改善する方法と光抽出効率を改善する方法とに分類できる。最近では光抽出効率を改善する方法が活発に研究されている。
【0016】
光抽出効率を上げる方法の代表は、サファイア基板を一定の形状にエッチングする方法、p型GaN層の表面の粗化方法、及びp型GaN層をエッチングして一定の周期を持つ光結晶(photonic crystal)を形成する方法などがある。
【0017】
現在、サファイア基板をエッチングする方法とp型GaN層の表面の粗化方法は、発光素子の大量生産技術に適用されているが、光結晶を用いる方法は、理論的によく知られており、且つ実験室水準で研究・報告されてはいるものの、大量生産技術には未だ適用されていない。
【0018】
ところが、光結晶を用いる方法は、サファイアをエッチングする方法とp型GaN層の表面の粗化方法に比べてより優れた光抽出効率を有する。
【0019】
このような光結晶を用いる方法の代表には、図2に示すように、図1に示すような基本構造において上端のp型GaN層4を一定の周期のパターンでエッチングして光結晶7を形成する方法がある。
【0020】
しかしながら、このような方法は、p型GaN層4の本質的に低い電気的特性、薄い膜厚及びエッチングによる電気的特性の低下によって光抽出効率の改善には限界がある。
【0021】
他の方法には、基板上にp型GaN層をまず成長させ、発光層を成長させた後、上端にn型GaN層を成長させた構造を用いて、上端のn型GaN層に光結晶構造を形成する方法がある。
【0022】
しかしながら、p型GaN層の本質的に低い電気伝導性、低い結晶性及びエッチングによる電気的特性の低下は、p型GaN層を下端に成長させる方法を不可能にする。
【0023】
さら他の方法は、サファイア基板上にn型GaN層を成長させ、続いて発光層及びp型GaN層を順に成長させた後、再びn型GaN層を成長させる方法がある。これは、p型GaN層とn型GaN層との間における電気的トンネル接合特性を利用する方法である。
【0024】
しかしながら、この方法も、p型GaN層の低い電気的特性の故に接合部位で抵抗を増加させ、結果として素子の作動電圧を増加させるという問題点を有する。
【0025】
それ以外の方法は、サファイア基板上にn型GaN層、発光層、p型GaN層を順に成長させた後、反射層と熱放出能力に優れた金属板を接合させた後、適宜の方法でサファイアを除去して、露出されたn型GaN層にエッチング工程を施すことによって光結晶を形成する方法である。
【0026】
しかしながら、この方法も、接合された薄膜層のエッチング工程段階で金属板が十分に安定しておらず、エッチング工程が難しく、また生産性が低いという問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0027】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光抽出効率を改善できる光結晶構造を発光素子に適用することによって高輝度・高効率の発光素子を具現し、特定形状で形成された光抽出構造上に選択的に薄膜を成長させることによって、薄膜の結晶性を向上させ、薄膜内の応力制御を通じて発光素子の効率を向上させることができる垂直型発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0028】
本発明の垂直型発光素子は、支持層と、支持層上に位置する第1電極と、第1電極上に位置する複数の半導体層であって、第1電極上に位置するp型GaN層と、p型GaN層上に位置する発光層と、発光層上に位置するn型GaN層と、を含む複数の半導体層と、n型GaN層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、光結晶層上に位置する第2電極と、を備える。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、光抽出効率を改善できる光結晶構造を発光素子に適用できるため、高輝度・高効率の発光素子を具現可能になり、特定形状で形成された光抽出構造上に選択的に薄膜を成長させるため、薄膜の結晶性を向上でき、かつ、薄膜内の応力制御を通じて発光素子の効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】従来の水平型発光素子の一例を示す断面図である。
【図2】従来の光結晶が形成された水平型発光素子の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の第1実施例による垂直型発光素子製造方法において、基板に半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図4】図3の半導体層上に光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図5】図4の平面図である。
【図6】図4の光結晶に誘電物質を充填する段階を示す断面図である。
【図7】図6の光結晶構造上に複数の半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図8】図7の複数の半導体層上に電極と支持層を形成する段階を示す断面図である。
【図9】本発明の垂直型発光素子の一例を示す断面図である。
【図10】本発明の第2実施例による垂直型発光素子製造方法における基板を示す断面図である。
【図11】図10の基板上に誘電物質柱を形成する段階を示す断面図である。
【図12】図11の平面図である。
【図13】本発明の第3実施例による垂直型発光素子製造方法において、基板上に半導体薄膜を形成する段階を示す断面図である。
【図14】図13の半導体薄膜上に誘電物質柱を形成する段階を示す断面図である。
【図15】図14の平面図である。
【図16】図14の誘電物質柱上に複数の半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図17】図16の半導体層上に第1電極と支持層を形成する段階を示す断面図である。
【図18】本発明の垂直型発光素子の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【0032】
本発明の様々な修正及び変形を許容する上で、その特定の実施例を図面に基づいて例示し、その詳細については以下に説明する。ただし、これらの特定の実施例は本発明を限定するためのものではなく、よって、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の思想と合致するあらゆる修正、均等及び代用を含む。
【0033】
図面中、同一の構成要素には可能な限り同一の参照番号及び符号を共用し、各層及び領域の寸法は、明瞭性のために誇張して示す。また、ここで説明される各実施例は、相補的な導電型の実施例を含む。
【0034】
層、領域または基板の要素が他の構成要素“上(on)”に存在するという記載は、他の要素の直上に存在する、または、その間に中間要素が存在しても良いという意味で理解すれば良い。表面のような構成要素の一部が“内部(inner)”と表現される場合、これは当該構成要素の一部が他の部分よりも素子の外側からより遠くに離れているという意味で理解すれば良い。
【0035】
なお、“下(beneath)”または“重畳(overlay)”のような相対的な用語は、ここでは、図面に示すように、ある層または領域の、他の層または領域に対する関係を説明するために使用しても良い。
【0036】
この種の用語は、図面に描写された方向に加えて素子の他の方向を含むことを意図するためであることが理解できる。最後に、“直接(directly)”という用語は、中間に介在するいかなる要素も存在しないということを意味する。ここで使用される“及び/または”という用語は、記載された関連項目のうちのいずれか1つまたはそれ以上のいずれかの組み合わせ及び全ての組み合わせを含む。
【0037】
例えば、第1、第2などの用語が、様々な要素、成分、領域、層及び/または部分を説明するために使用することができるが、それらの要素、成分、領域、層及び/または部分は、そのような用語によって限定されてはならないということは明らかである。
【0038】
すなわち、それらの用語は、単に他の領域、層または部分からいずれかの要素、成分、領域、層または部分を区分するために使用されるものである。したがって、下記における第1領域、層または部分は、第2領域、層または部分という名称にもなりうる。
【0039】
<第1実施例>
以下、添付図面に基づき、本発明の第1実施例について詳細に説明する。
【0040】
まず、基板上に光抽出層を形成する。このために、図3に示すように、基板10を湿式または乾式工程を通じて表面処理し、この基板10上に通常の半導体薄膜成長装置を用いてGaN半導体層20を形成する。
【0041】
基板10は、サファイア、シリコン(Si)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコンカーバイド(SiC)などのうちのいずれか一つを使用することができ、GaN半導体層20の厚さは、0.3乃至5μmの薄膜として成長させることが好ましく、n型GaN物質を用いて形成できる。
【0042】
その後、図4に示すように、パターン工程とエッチング工程を用いてGaN半導体層20中に一定の周期とパターンを持つホール21を形成する。この過程による平面は、図5の通りになる。
【0043】
このようなホール21は、以降基板10を除去した後、発光素子の発光面が露出される場合に、ホール21が一定の周期とパターンを持たなくても発光素子の発光効率を向上させることができる。
【0044】
また、図5では、ホール21の形状を円形としが、ホール21の形状を四角形、六角形などの多角形の形状にしても良い。
【0045】
さらに、窒化物半導体薄膜層に一定の周期とパターンを持ち、整列して配置されたホール21が形成される場合、このように規則的に整列されたホール21によって発光面に光結晶構造が形成されることができる。
【0046】
このように光結晶構造が形成されると、この光結晶構造では屈折率の配置が周期的になる。この時、光結晶の周期(periodicity)が、放出される光の波長の略半分になる時、周期的に屈折率(refractive index)が変わる光結晶格子による光子の多重散乱によってフォトニックバンドギャップ(photonic bandgap)が形成される。
【0047】
このような光結晶構造において、光は一定の方向に効果的に放出される特性を持つ。すなわち、上記のフォトニックバンドギャップが形成されるので、発光する光は光結晶構造をなすホール21に流入、通過せず、ホール21以外の部分を通じて抽出される現象を起こすことができる。
【0048】
このような現象は、周期性を持つ複数のホール21によって形成される光結晶構造における光子(photon)の挙動によって説明することができる。
【0049】
すなわち、周期性を持つ複数のホール21によって、光結晶構造では誘電定数(dielectric constant)が周期的に変わり、このような光結晶構造を伝播する光の挙動に影響を与えることになる。
【0050】
特に、光結晶構造のフォトニックバンドギャップが発光素子から放出する光の波長帯域に属する又は含まれる場合に、このような発光素子の光子は、発光素子であたかも全反射現象によって反射されるような効果を持つ。
【0051】
このようなフォトニックバンドギャップは、結晶構造における電子に類似しており、当該フォトニックバンドギャップに属する光子は光結晶内で自由に伝播できない。
【0052】
したがって、発光素子から放出される光の光子をいずれもフォトニックバンドギャップに属するようにすると、全ての光子は、全反射現象と略同様にホール21以外の部分を通じて発光素子から抜け出るようになり、その結果、発光効率が増加する。
【0053】
したがって、光結晶構造が效果的に光を放出するためには、エッチングされるホール21の深さ、大きさ及び隣接するホール21間の距離などを放出される光の波長に応じて最適化することが好ましい。
【0054】
窒化物半導体発光素子の場合、ホール21の深さは0.05〜10μm、半径は0.01〜6μm、隣接するホール21間の間隔、すなわち、光結晶周期は0.03〜18μmが好ましい。
【0055】
一方、このようなホール21を形成すると同時に、素子と素子とを区分する単位素子区分領域11を共にエッチングして形成することが好ましい。
【0056】
このようにエッチングされて形成されるホール21と単位素子区分領域11には、図6に示すように、屈折率の異なる物質を充填することができる。
【0057】
このような屈折率の異なる物質には、シリコン酸化物(SiO2)あるいはシリコン窒化物(SiN)などの誘電物質(誘電体)30を使用することが好ましい。ホール21が十分に小さく深い場合は、誘電物質30を充填しなくても良い。
【0058】
また、少なくとも所定の部分には、誘電物質30を充填し、以降、このように誘電物質30の充填された部分にn型電極を形成することができる(図9参照)。
【0059】
このように、ホール21と誘電物質30が充填された層上に、図7に示すように、GaN系半導体層40を形成する。
【0060】
このGaN系半導体層40は、n型GaN層41、発光層(活性層)42、及びp型GaN層43からなる。発光層は通常、単一または多重量子井戸(Quantum well)構造をなす。この時、量子井戸構造をなすために、In、Alなどの物質がGaN物質に混合されて使用されることができる。
【0061】
一方、上記のように、素子と素子とを分離する区分領域11をホール21と共に形成すると、発光素子製造の後の工程において素子と素子とを分離する工程を省くことができる。
【0062】
これは、図7に示すように、素子と素子とを分離するようにエッチングされた区分領域11に充填された誘電物質30の上においては薄膜形成がされず、光結晶構造が形成された素子領域上においてのみ選択的にGaN薄膜が形成されるためである。
【0063】
また、このように、光結晶構造上に選択的にGaN薄膜を形成すると、高品質のn型GaN層41、発光層42及びp型GaN層43を形成することができる。
【0064】
これは、光結晶構造上に選択的に形成される薄膜層は、基板10に起因する歪(strain)を相当量効率よく緩和できるためである。
【0065】
このような単一素子薄膜層内の歪の減少は、結果として発光層42の内部量子効率を増加させる効果を有する。
【0066】
さらに、本発明によれば、光結晶構造は、複数のホール21及びこれらを充填する誘電物質30からなるので、この上層に成長する半導体層40は、基板10と半導体層40薄膜間の界面から始まる本質的な薄膜欠陥である貫通転位(threading dislocations)密度を半分近く減少させることができる。このような転位密度の減少は、素子の性能向上に大きく寄与できる。
【0067】
その後、図8に示すように、分離された素子と素子との間の区分領域11に、エポキシなどのような熱化学的に除去が容易な物質を充填した後、GaN系半導体層40上にはp型電極50を形成する。このp型電極50はオーミック電極を形成し、このようなp型電極50上には反射効率向上のための反射電極60が形成されることができる。
【0068】
このとき、エポキシ等の物質が充填される時期は、異なっても良い。
【0069】
p型電極50としてインジウムスズ酸化物(Indium Tin Oxide)あるいは酸化亜鉛(ZnO)などのような酸化物層を使用する場合には、p型GaN層43上に、オーミック特性向上のために薄膜のn型GaN層(図示せず)がさらに形成されても良い。
【0070】
また、p型電極50または反射電極60上には、支持層70が形成され又は取り付けられることによって、後で基板10を除去する場合において、支持層70を素子全体の構造を支持する支持板として使用することができる。
【0071】
この支持層70には、熱放出に有利な銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)などのような金属板またはこれらの合金を用いて形成される金属板、シリコン(Si)基板などが用いられると良い。また、金属板は、反射電極60上にメッキによって形成されても良い。
【0072】
このような支持層70を金属板とする場合には、当該支持層70とp型電極50または反射電極60との間に、金属間接合のためのシードメタル(seed metal)が用いられても良い。
【0073】
その後、GaN半導体層40の薄膜が成長した基板10を除去する。基板10がサファイア基板の場合は、レーザーを用いたり、物理的に除去でき、シリコン基板の場合は、化学的あるいは物理的に除去できる。このように基板10の除去された面は、エッチングして表面処理をすることが好ましい。
【0074】
この際、上記の光抽出層の形成されたn型GaN半導体層20は、基板10を除去することによって露出される。これにより、図9に示すように、結局、ホール21及びホール21を充填する誘電物質30からなる光結晶構造80が露出される。
【0075】
場合によっては、露出された誘電物質30はエッチングして除去しても良い。
【0076】
そして、基板10の除去された面には、n型電極90が形成される。このとき、誘電物質30が除去される場合であっても、少なくともn型電極90が形成された部分に対しては誘電物質30を除去しないことが好ましい。
【0077】
なお、上記ホール21の露出された部分にn型透明オーミック層92を形成し、電流拡散によって発光効率を向上させても良い。このn型透明オーミック層92には、Ti/AlまたはTi/Auを用いることができ、特定の厚さ以下に形成すると、透明なオーミック層とすることができる。
【0078】
一方、n型電極90の下側面には反射層91を形成することによって、n型電極90が発光層42から発される光を吸収せず、反射層91で反射されて外部に放出されるようにしても良い。
【0079】
以上の工程によって、本発明の発光素子は図9の構造とされる。
【0080】
以下、図3乃至図9を参照して、本発明の第1実施例に係る具体例について説明する。
【0081】
本発明では、窒化物半導体薄膜成長のために有機金属化学気相蒸着法(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)を用いた。
【0082】
基板10はサファイアとした。アンモニアを窒素源とし、水素と窒素を運搬ガスとした。
【0083】
ガリウム(Ga)、インジウム(In)及びアルミニウム(Al)は、有機金属ソースを使用した。n型ドーパント(dopant)はシリコン(Si)を使用し、p型ドーパントはマグネシウム(Mg)を使用した。
【0084】
サファイア基板10上に3μm厚のn型GaN半導体20薄膜を1030℃で成長させ、圧力は250トール(Torr)を適用した。
【0085】
光結晶周期は1.2μm、ホール21の半径は0.4μm、エッチング深さは3μmを適用した。エッチングされた部分には誘電物質30としてシリコン酸化物(SiO2)を充填した。
【0086】
その後、3μm厚のn型GaN層41を光結晶構造上に成長させ、その上に5対の窒化インジウムガリウム/窒化ガリウム(InGaN/GaN)かならる多重量子井戸(Quantum well)構造の発光層42を形成した。
【0087】
発光層42上に0.1μm厚のp型GaN層43を成長させ、その上端にオーミック特性向上のためにn型GaN層を薄く形成した。
【0088】
素子と素子との間の領域にエポキシを充填した後、p型電極50としてインジウムスズ酸化物(ITO)を0.2μm厚で蒸着したのち、この上層に反射電極60と銅(Cu)で形成された支持層70とを形成した。
【0089】
その後、レーザーを用いてサファイア基板10を除去した後、これにより露出された表面を0.5μmの厚さだけエッチングして、結晶欠陥層を除去した。
【0090】
このように、露出された表面を化学的に処理した後、n型電極90を形成した。
【0091】
このような方法によって形成された素子を単一素子として分離し、パッケージングする。このとき、発光素子の特性を測定した時、素子の輝度は、基準試験片に対して30%以上も向上した。
【0092】
<第2実施例>
次に、添付図面を参照して、本発明の第2実施例について詳細に説明する。
【0093】
まず、基板上に光抽出層を形成する。このために、図10に示すように、基板100を湿式または乾式工程を通じて表面処理する。基板100には、サファイア、シリコン(Si)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコンカーバイド(SiC)などを用いれば良い。
【0094】
この基板100上に、図11に示すように、複数の誘電物質柱200を形成する。誘電物質柱200の水平断面形状は、円形、四角形、六角形、またはそれ以外の多角形にすることができる。
【0095】
この誘電物質柱200は、酸化物または窒化物で形成でき、特に、シリコン酸化物(SiO2)あるいはシリコン窒化物(SiN)などで形成すると良い。
【0096】
誘電物質柱200は、パターン工程またはエッチング工程によって形成されることができる。すなわち、誘電物質層を形成し、これをエッチングして誘電物質柱200を形成することができる。
【0097】
図11に示すように、誘電物質柱200は、領域全体にわたって形成しても良く、場合によっては、単位素子の形成領域にのみ形成しても良く、また、単位素子区分領域には誘電物質を柱の形状に形成せず、誘電物質を充填して形成しても良い(図示せず)。図12は、単位素子形成領域にのみ誘電物質柱200が形成された平面を示している。
【0098】
<第3実施例>
一方、第3実施例として、図13に示すように、基板100上に通常の半導体薄膜成長装置を用いてGaN半導体薄膜110を成長させ、このGaN薄膜110上に上記の誘電物質柱200を形成することができる。
【0099】
このとき、図13に示すように、GaN半導体薄膜110を単位素子形成領域にのみ形成しても良く、半導体薄膜110を面全体にわたって形成し、その中で単位素子区分領域はエッチングして除去しても良い。
【0100】
薄膜110の厚さは、0.001乃至5μmとすることが好ましく、この薄膜110は基板100上でバッファ層として使用されても良い。
【0101】
その後、図14に示すように、GaN半導体薄膜110の形成された部分上に誘電物質柱200を形成する。
【0102】
図15は、GaN半導体薄膜110上に誘電物質柱200が形成された平面を示す図である。
【0103】
また、このような単位素子区分領域には誘電物質柱200を形成せず、区分領域全体に誘電物質を充填して形成しても良い。
【0104】
以降の過程は、GaN半導体薄膜110上に誘電物質柱200を形成した構造を例に挙げて説明する。ただし、基板100上に誘電物質柱200を直接形成した構造においても、以下の過程は同一に適用されることができる。
【0105】
図16に示すように、誘電物質柱200の形成されたGaN半導体薄膜110上に、複数のGaN系半導体層300を形成する。
【0106】
このGaN系列半導体層300は、n型GaN層310、発光層(活性層)320、及びp型GaN層330からなる。発光層は通常、単一構造または多重量子井戸(Quantum well)構造をなす。この時、量子井戸構造をなすために、In、Alなどの物質がGaN物質に混合されて用いられことができる。
【0107】
n型GaN層310は、最初の段階では誘電物質柱200の上側には形成されず、誘電物質柱200間の薄膜110の上側において形成される。
【0108】
このように、薄膜110の上側、誘電物質柱200間においてn型GaN層310が形成されて、誘電物質柱200を覆うようになると、この際、n型GaN層310は、図16のように、層をなして成長する。
【0109】
このとき、単位素子区分領域にはサファイア基板100や誘電物質(図示せず)が充填されているので、GaN系列半導体層300が形成されず、よって、以降の工程段階で素子と素子を分離する別の工程を省くことができる。
【0110】
また、このように、誘電物質柱200上に選択的にGaN半導体層300を形成すると、高品質のn型GaN層310、発光層320及びp型GaN層330を形成できる。
【0111】
これは、誘電物質柱200上に選択的に形成される薄膜層が、基板100に起因する歪(strain)を相当量効率よく緩和できるためである。
【0112】
このような単一素子薄膜層内の歪の減少は、結果として発光層320の内部量子効率を増加させる。
【0113】
さらに、本発明によると、n型GaN層310の下側には誘電物質柱200が位置するので、この上に成長する半導体層300は、基板100と半導体層300薄膜間の界面から始まる本質的な薄膜欠陥である貫通転位(threading dislocations)密度を半分近く減少させることができる。このような転位密度の減少は、素子の性能向上に大きく寄与できる。
【0114】
その後、図17に示すように、分離された素子と素子との間の区分領域にエポキシなどのような熱化学的に除去が容易な物質を充填した後、GaN系半導体層300上には、p型電極400を形成する。このp型電極400はオーミック電極を形成し、p型電極400上には反射効率向上のための反射電極500が形成されることができる。
【0115】
この時、エポキシ等の物質が充填される時期は、異なっても良い。
【0116】
p型電極400としてインジウムスズ酸化物(Indium Tin Oxide)、酸化亜鉛(ZnO)、AlZnO、InZnOなどのような酸化物層を使用する場合には、p型GaN層330上にオーミック特性向上のためにオーミック形成層340として薄膜のn型GaN層がさらに形成されても良い。
【0117】
また、p型電極400または反射電極500上には、支持層600が形成されまたは取り付けられることによって、後で基板100を除去する場合において支持層600を素子全体の構造を支持する支持板として使用することができる。
【0118】
このような支持層600には、熱放出に有利な銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)などの金属板またはこれらの合金を用いて形成される金属板、それ以外にシリコン(Si)基板等のような半導体基板が用いられることができる。この場合、金属板は、反射電極500上にメッキによって形成されることができる。
【0119】
この支持層600を金属板とする場合には、支持層600とp型電極400または反射電極500との間に、金属間接合のためのシードメタル(seed metal)が用いられても良い。
【0120】
その後、GaN半導体層300の薄膜が成長した基板100を除去する。基板100がサファイア基板の場合は、レーザーを用いたり、物理的に除去でき、シリコン基板の場合は、化学的あるいは物理的に除去できる。このように基板100の除去された面は、エッチングして表面処理をすることが好ましい。
【0121】
このとき、基板100が除去されたGaN半導体層300のn型GaN層310には、誘電物質柱200が配列された構造が位置することになる。場合によっては、誘電物質柱200はエッチングによって除去されても良い。このように誘電物質柱200が除去されると、図18に示すように、n型GaN層310には、複数のホール210が形成される。
【0122】
このような誘電物質柱200またはホール210の配列は、一定の周期とパターンを持たなくても発光素子の発光効率を向上させることができる。
【0123】
一方、誘電物質柱200またはホール210が窒化物半導体薄膜層において一定の周期とパターンを持つ場合、このような規則的に整列された柱200またはホール210によって発光面に光結晶構造が形成されることができる。
【0124】
このような光結晶構造の作用は、上記の第1実施例における説明と同様である。
【0125】
すなわち、このような光結晶構造において、光は一定の方向に効果的に放出される特性を持つ。すなわち、上記のフォトニックバンドギャップが形成されるので、発光する光は光結晶構造をなす誘電物質柱200またはホール210に流入、通過せず、誘電物質柱200またはホール210以外の部分を通じて抽出される現象が起きる。
【0126】
このような現象は、周期性を持つ複数のホール210によって形成される光結晶構造における光子(photon)の挙動によって説明することができる。
【0127】
すなわち、周期性を持つ複数のホール210によって、光結晶構造では誘電定数(dielectric constant)が周期的に変わり、このような光結晶構造を伝播する光の挙動に影響を与えることになる。
【0128】
したがって、発光素子から放出される光の光子がいずれもフォトニックバンドギャップに属する場合、全ての光子は、全反射現象と略同様に発光素子を抜け出るようになり、結果として発光効率が増加する。
【0129】
したがって、光結晶構造が効果的に光を放出するためには、誘電物質柱200の高さと半径、柱200と柱200との間隔、エッチングされるホール210の深さと大きさ、及びホール210とホール210との距離などを、放出される光の波長に応じて最適化することが好ましい。
【0130】
窒化物半導体発光素子の場合、誘電物質柱200の高さは0.001〜10μm、柱200の半径は0.001〜6μm、隣接する柱200間の間隔、すなわち、光結晶周期は0.003〜18μmが好ましい。
【0131】
したがって、誘電物質柱200がエッチングされて形成されるホール210の深さは0.001〜10μm、ホール210の半径は0.001〜6μm、隣接するホール210間の間隔、すなわち光結晶の周期は、0.003〜18μmになりうる。
【0132】
このような過程によって形成された発光素子構造の一例を、図18に示す。
【0133】
すなわち、図18に示すように、基板100の除去された面には、n型電極700が形成される。この場合、誘電物質柱200がエッチングされて除去される場合であっても、少なくともn型電極700の形成された部分に対しては誘電物質200を除去しないことが好ましい。
【0134】
また、ホール210が露出された部分には、n型透明オーミック層720を形成して、電流拡散によって発光効率を向上させることができる。
【0135】
一方、n型電極700の下側面には反射層710を形成することによって、n型電極700が発光層320から発される光を吸収せず、反射層710で反射されて外部に放出されるようにしても良い。
【0136】
上記の実施例は本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例で、本発明は、上記の実施例に限定されず、様々な形態の変形が可能であり、このような技術的思想内における様々な実施形態はいずれも本発明の保護範囲に属することは当然である。
【技術分野】
【0001】
本発明は、垂直型発光素子に係り、特に、光抽出効率を向上させることができる垂直型発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)は、電流を光に変換させる周知の半導体発光素子で、1962年GaAsP化合物半導体を用いた赤色LEDが商品化したことを始めとして、GaP:N系列の緑色LEDも共に、情報通信機器をはじめとする電磁装置の表示画像用光源として用いられている。
【0003】
このようなLEDによって放出される光の波長は、LED製造に使われる半導体材料による。これは、放出された光の波長が価電子帯(valence band)の電子と伝導帯(conduction band)の電子間のエネルギー差を示す半導体材料のバンドギャップ(band gap)によるからである。
【0004】
窒化ガリウム化合物半導体(Gallium Nitride:GaN)は、高い熱安全性と幅広いバンドギャップ(0.8〜6.2eV)を持っていることから、高出力電子素子開発分野において大きく注目されてきた。その理由の一つに、GaNが他の元素(インジウム(In)、アルミニウム(Al)等)と組み合わせられて、緑色、青色及び白色光を放出する半導体層を製造できることがある。
【0005】
このように、放出波長を調節できるため、特定の装置特性に合わせて材料を用いることができる。例えば、GaNを用いて光記録に有益な青色LEDと、白熱灯に取って代わる白色LEDを作ることができる。
【0006】
また、従来の緑色LEDでは、当初GaPが用いられたが、間接遷移型材料であるがために効率が落ち、実用的な純緑色発光が得られなかった。しかし、InGaN薄膜成長に成功したことから、高輝度の緑色LEDの具現が可能になった。
【0007】
上記の利点及びその他の利点から、GaN系のLED市場が急速に成長している。したがって、1994年に商業的に導入されて以来、GaN系の光電子装置技術も急激に発達してきた。
【0008】
GaN発光ダイオードの効率は白熱灯の効率を凌駕し、現在は蛍光灯に近づく効率に達しており、よって、GaN系のLED市場は急速な成長を続けることが予想されている。
【0009】
このようなGaN素子技術の急速な発展にもかかわらず、GaN素子の製作にはコスト面において不利な点がある。これは、GaNエピタキシャル薄膜(epitaxial layers)を成長させ、続いて完成されたGaN系の素子を切断する上での困難さと関係している。
【0010】
GaN系の素子は、通常、サファイア(Al2O3)基板上に製造される。これは、サファイアウエハがGaN系の装置を大量生産するのに適した大きさで商用可能であり、比較的高品質のGaNエピタキシャル薄膜成長をサポートし、広範囲の温度処理能力を有するためである。
【0011】
なお、サファイアは、化学的に且つ熱的に安定しており、高温製造工程を可能にする高融点を有し、高い結合エネルギー(122.4Kcal/mole)と高い誘電定数を有する。化学的に、サファイアは結晶性アルミニウム酸化物(Al2O3)である。
【0012】
一方、サファイアは絶縁体であるため、サファイア基板(または、他の絶縁体基板)を使用する場合に利用可能なLED素子の形態は、実際に、水平(lateral)または垂直(vertical)構造に制限される。
【0013】
図1は、上述した一般のGaN系LEDのうち、水平型LED素子構造を示している。
【0014】
一般の水平型LED素子の構造は、サファイア基板1上にn型窒化ガリウム(GaN)層2、活性層(発光層)3及びp型窒化ガリウム(GaN)層4が順に配置されており、n型GaN層2が露出されるようにエッチングされた面にn型電極5が配置され、p型GaN層4にはp型電極6が配置されている。
【0015】
最近、GaNをベースとする半導体発光素子の研究では、輝度向上に主力を注いでいる。光素子の輝度向上のための研究は、大別すると、内部量子効率を改善する方法と光抽出効率を改善する方法とに分類できる。最近では光抽出効率を改善する方法が活発に研究されている。
【0016】
光抽出効率を上げる方法の代表は、サファイア基板を一定の形状にエッチングする方法、p型GaN層の表面の粗化方法、及びp型GaN層をエッチングして一定の周期を持つ光結晶(photonic crystal)を形成する方法などがある。
【0017】
現在、サファイア基板をエッチングする方法とp型GaN層の表面の粗化方法は、発光素子の大量生産技術に適用されているが、光結晶を用いる方法は、理論的によく知られており、且つ実験室水準で研究・報告されてはいるものの、大量生産技術には未だ適用されていない。
【0018】
ところが、光結晶を用いる方法は、サファイアをエッチングする方法とp型GaN層の表面の粗化方法に比べてより優れた光抽出効率を有する。
【0019】
このような光結晶を用いる方法の代表には、図2に示すように、図1に示すような基本構造において上端のp型GaN層4を一定の周期のパターンでエッチングして光結晶7を形成する方法がある。
【0020】
しかしながら、このような方法は、p型GaN層4の本質的に低い電気的特性、薄い膜厚及びエッチングによる電気的特性の低下によって光抽出効率の改善には限界がある。
【0021】
他の方法には、基板上にp型GaN層をまず成長させ、発光層を成長させた後、上端にn型GaN層を成長させた構造を用いて、上端のn型GaN層に光結晶構造を形成する方法がある。
【0022】
しかしながら、p型GaN層の本質的に低い電気伝導性、低い結晶性及びエッチングによる電気的特性の低下は、p型GaN層を下端に成長させる方法を不可能にする。
【0023】
さら他の方法は、サファイア基板上にn型GaN層を成長させ、続いて発光層及びp型GaN層を順に成長させた後、再びn型GaN層を成長させる方法がある。これは、p型GaN層とn型GaN層との間における電気的トンネル接合特性を利用する方法である。
【0024】
しかしながら、この方法も、p型GaN層の低い電気的特性の故に接合部位で抵抗を増加させ、結果として素子の作動電圧を増加させるという問題点を有する。
【0025】
それ以外の方法は、サファイア基板上にn型GaN層、発光層、p型GaN層を順に成長させた後、反射層と熱放出能力に優れた金属板を接合させた後、適宜の方法でサファイアを除去して、露出されたn型GaN層にエッチング工程を施すことによって光結晶を形成する方法である。
【0026】
しかしながら、この方法も、接合された薄膜層のエッチング工程段階で金属板が十分に安定しておらず、エッチング工程が難しく、また生産性が低いという問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0027】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光抽出効率を改善できる光結晶構造を発光素子に適用することによって高輝度・高効率の発光素子を具現し、特定形状で形成された光抽出構造上に選択的に薄膜を成長させることによって、薄膜の結晶性を向上させ、薄膜内の応力制御を通じて発光素子の効率を向上させることができる垂直型発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0028】
本発明の垂直型発光素子は、支持層と、支持層上に位置する第1電極と、第1電極上に位置する複数の半導体層であって、第1電極上に位置するp型GaN層と、p型GaN層上に位置する発光層と、発光層上に位置するn型GaN層と、を含む複数の半導体層と、n型GaN層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、光結晶層上に位置する第2電極と、を備える。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、光抽出効率を改善できる光結晶構造を発光素子に適用できるため、高輝度・高効率の発光素子を具現可能になり、特定形状で形成された光抽出構造上に選択的に薄膜を成長させるため、薄膜の結晶性を向上でき、かつ、薄膜内の応力制御を通じて発光素子の効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】従来の水平型発光素子の一例を示す断面図である。
【図2】従来の光結晶が形成された水平型発光素子の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の第1実施例による垂直型発光素子製造方法において、基板に半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図4】図3の半導体層上に光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図5】図4の平面図である。
【図6】図4の光結晶に誘電物質を充填する段階を示す断面図である。
【図7】図6の光結晶構造上に複数の半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図8】図7の複数の半導体層上に電極と支持層を形成する段階を示す断面図である。
【図9】本発明の垂直型発光素子の一例を示す断面図である。
【図10】本発明の第2実施例による垂直型発光素子製造方法における基板を示す断面図である。
【図11】図10の基板上に誘電物質柱を形成する段階を示す断面図である。
【図12】図11の平面図である。
【図13】本発明の第3実施例による垂直型発光素子製造方法において、基板上に半導体薄膜を形成する段階を示す断面図である。
【図14】図13の半導体薄膜上に誘電物質柱を形成する段階を示す断面図である。
【図15】図14の平面図である。
【図16】図14の誘電物質柱上に複数の半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図17】図16の半導体層上に第1電極と支持層を形成する段階を示す断面図である。
【図18】本発明の垂直型発光素子の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【0032】
本発明の様々な修正及び変形を許容する上で、その特定の実施例を図面に基づいて例示し、その詳細については以下に説明する。ただし、これらの特定の実施例は本発明を限定するためのものではなく、よって、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の思想と合致するあらゆる修正、均等及び代用を含む。
【0033】
図面中、同一の構成要素には可能な限り同一の参照番号及び符号を共用し、各層及び領域の寸法は、明瞭性のために誇張して示す。また、ここで説明される各実施例は、相補的な導電型の実施例を含む。
【0034】
層、領域または基板の要素が他の構成要素“上(on)”に存在するという記載は、他の要素の直上に存在する、または、その間に中間要素が存在しても良いという意味で理解すれば良い。表面のような構成要素の一部が“内部(inner)”と表現される場合、これは当該構成要素の一部が他の部分よりも素子の外側からより遠くに離れているという意味で理解すれば良い。
【0035】
なお、“下(beneath)”または“重畳(overlay)”のような相対的な用語は、ここでは、図面に示すように、ある層または領域の、他の層または領域に対する関係を説明するために使用しても良い。
【0036】
この種の用語は、図面に描写された方向に加えて素子の他の方向を含むことを意図するためであることが理解できる。最後に、“直接(directly)”という用語は、中間に介在するいかなる要素も存在しないということを意味する。ここで使用される“及び/または”という用語は、記載された関連項目のうちのいずれか1つまたはそれ以上のいずれかの組み合わせ及び全ての組み合わせを含む。
【0037】
例えば、第1、第2などの用語が、様々な要素、成分、領域、層及び/または部分を説明するために使用することができるが、それらの要素、成分、領域、層及び/または部分は、そのような用語によって限定されてはならないということは明らかである。
【0038】
すなわち、それらの用語は、単に他の領域、層または部分からいずれかの要素、成分、領域、層または部分を区分するために使用されるものである。したがって、下記における第1領域、層または部分は、第2領域、層または部分という名称にもなりうる。
【0039】
<第1実施例>
以下、添付図面に基づき、本発明の第1実施例について詳細に説明する。
【0040】
まず、基板上に光抽出層を形成する。このために、図3に示すように、基板10を湿式または乾式工程を通じて表面処理し、この基板10上に通常の半導体薄膜成長装置を用いてGaN半導体層20を形成する。
【0041】
基板10は、サファイア、シリコン(Si)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコンカーバイド(SiC)などのうちのいずれか一つを使用することができ、GaN半導体層20の厚さは、0.3乃至5μmの薄膜として成長させることが好ましく、n型GaN物質を用いて形成できる。
【0042】
その後、図4に示すように、パターン工程とエッチング工程を用いてGaN半導体層20中に一定の周期とパターンを持つホール21を形成する。この過程による平面は、図5の通りになる。
【0043】
このようなホール21は、以降基板10を除去した後、発光素子の発光面が露出される場合に、ホール21が一定の周期とパターンを持たなくても発光素子の発光効率を向上させることができる。
【0044】
また、図5では、ホール21の形状を円形としが、ホール21の形状を四角形、六角形などの多角形の形状にしても良い。
【0045】
さらに、窒化物半導体薄膜層に一定の周期とパターンを持ち、整列して配置されたホール21が形成される場合、このように規則的に整列されたホール21によって発光面に光結晶構造が形成されることができる。
【0046】
このように光結晶構造が形成されると、この光結晶構造では屈折率の配置が周期的になる。この時、光結晶の周期(periodicity)が、放出される光の波長の略半分になる時、周期的に屈折率(refractive index)が変わる光結晶格子による光子の多重散乱によってフォトニックバンドギャップ(photonic bandgap)が形成される。
【0047】
このような光結晶構造において、光は一定の方向に効果的に放出される特性を持つ。すなわち、上記のフォトニックバンドギャップが形成されるので、発光する光は光結晶構造をなすホール21に流入、通過せず、ホール21以外の部分を通じて抽出される現象を起こすことができる。
【0048】
このような現象は、周期性を持つ複数のホール21によって形成される光結晶構造における光子(photon)の挙動によって説明することができる。
【0049】
すなわち、周期性を持つ複数のホール21によって、光結晶構造では誘電定数(dielectric constant)が周期的に変わり、このような光結晶構造を伝播する光の挙動に影響を与えることになる。
【0050】
特に、光結晶構造のフォトニックバンドギャップが発光素子から放出する光の波長帯域に属する又は含まれる場合に、このような発光素子の光子は、発光素子であたかも全反射現象によって反射されるような効果を持つ。
【0051】
このようなフォトニックバンドギャップは、結晶構造における電子に類似しており、当該フォトニックバンドギャップに属する光子は光結晶内で自由に伝播できない。
【0052】
したがって、発光素子から放出される光の光子をいずれもフォトニックバンドギャップに属するようにすると、全ての光子は、全反射現象と略同様にホール21以外の部分を通じて発光素子から抜け出るようになり、その結果、発光効率が増加する。
【0053】
したがって、光結晶構造が效果的に光を放出するためには、エッチングされるホール21の深さ、大きさ及び隣接するホール21間の距離などを放出される光の波長に応じて最適化することが好ましい。
【0054】
窒化物半導体発光素子の場合、ホール21の深さは0.05〜10μm、半径は0.01〜6μm、隣接するホール21間の間隔、すなわち、光結晶周期は0.03〜18μmが好ましい。
【0055】
一方、このようなホール21を形成すると同時に、素子と素子とを区分する単位素子区分領域11を共にエッチングして形成することが好ましい。
【0056】
このようにエッチングされて形成されるホール21と単位素子区分領域11には、図6に示すように、屈折率の異なる物質を充填することができる。
【0057】
このような屈折率の異なる物質には、シリコン酸化物(SiO2)あるいはシリコン窒化物(SiN)などの誘電物質(誘電体)30を使用することが好ましい。ホール21が十分に小さく深い場合は、誘電物質30を充填しなくても良い。
【0058】
また、少なくとも所定の部分には、誘電物質30を充填し、以降、このように誘電物質30の充填された部分にn型電極を形成することができる(図9参照)。
【0059】
このように、ホール21と誘電物質30が充填された層上に、図7に示すように、GaN系半導体層40を形成する。
【0060】
このGaN系半導体層40は、n型GaN層41、発光層(活性層)42、及びp型GaN層43からなる。発光層は通常、単一または多重量子井戸(Quantum well)構造をなす。この時、量子井戸構造をなすために、In、Alなどの物質がGaN物質に混合されて使用されることができる。
【0061】
一方、上記のように、素子と素子とを分離する区分領域11をホール21と共に形成すると、発光素子製造の後の工程において素子と素子とを分離する工程を省くことができる。
【0062】
これは、図7に示すように、素子と素子とを分離するようにエッチングされた区分領域11に充填された誘電物質30の上においては薄膜形成がされず、光結晶構造が形成された素子領域上においてのみ選択的にGaN薄膜が形成されるためである。
【0063】
また、このように、光結晶構造上に選択的にGaN薄膜を形成すると、高品質のn型GaN層41、発光層42及びp型GaN層43を形成することができる。
【0064】
これは、光結晶構造上に選択的に形成される薄膜層は、基板10に起因する歪(strain)を相当量効率よく緩和できるためである。
【0065】
このような単一素子薄膜層内の歪の減少は、結果として発光層42の内部量子効率を増加させる効果を有する。
【0066】
さらに、本発明によれば、光結晶構造は、複数のホール21及びこれらを充填する誘電物質30からなるので、この上層に成長する半導体層40は、基板10と半導体層40薄膜間の界面から始まる本質的な薄膜欠陥である貫通転位(threading dislocations)密度を半分近く減少させることができる。このような転位密度の減少は、素子の性能向上に大きく寄与できる。
【0067】
その後、図8に示すように、分離された素子と素子との間の区分領域11に、エポキシなどのような熱化学的に除去が容易な物質を充填した後、GaN系半導体層40上にはp型電極50を形成する。このp型電極50はオーミック電極を形成し、このようなp型電極50上には反射効率向上のための反射電極60が形成されることができる。
【0068】
このとき、エポキシ等の物質が充填される時期は、異なっても良い。
【0069】
p型電極50としてインジウムスズ酸化物(Indium Tin Oxide)あるいは酸化亜鉛(ZnO)などのような酸化物層を使用する場合には、p型GaN層43上に、オーミック特性向上のために薄膜のn型GaN層(図示せず)がさらに形成されても良い。
【0070】
また、p型電極50または反射電極60上には、支持層70が形成され又は取り付けられることによって、後で基板10を除去する場合において、支持層70を素子全体の構造を支持する支持板として使用することができる。
【0071】
この支持層70には、熱放出に有利な銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)などのような金属板またはこれらの合金を用いて形成される金属板、シリコン(Si)基板などが用いられると良い。また、金属板は、反射電極60上にメッキによって形成されても良い。
【0072】
このような支持層70を金属板とする場合には、当該支持層70とp型電極50または反射電極60との間に、金属間接合のためのシードメタル(seed metal)が用いられても良い。
【0073】
その後、GaN半導体層40の薄膜が成長した基板10を除去する。基板10がサファイア基板の場合は、レーザーを用いたり、物理的に除去でき、シリコン基板の場合は、化学的あるいは物理的に除去できる。このように基板10の除去された面は、エッチングして表面処理をすることが好ましい。
【0074】
この際、上記の光抽出層の形成されたn型GaN半導体層20は、基板10を除去することによって露出される。これにより、図9に示すように、結局、ホール21及びホール21を充填する誘電物質30からなる光結晶構造80が露出される。
【0075】
場合によっては、露出された誘電物質30はエッチングして除去しても良い。
【0076】
そして、基板10の除去された面には、n型電極90が形成される。このとき、誘電物質30が除去される場合であっても、少なくともn型電極90が形成された部分に対しては誘電物質30を除去しないことが好ましい。
【0077】
なお、上記ホール21の露出された部分にn型透明オーミック層92を形成し、電流拡散によって発光効率を向上させても良い。このn型透明オーミック層92には、Ti/AlまたはTi/Auを用いることができ、特定の厚さ以下に形成すると、透明なオーミック層とすることができる。
【0078】
一方、n型電極90の下側面には反射層91を形成することによって、n型電極90が発光層42から発される光を吸収せず、反射層91で反射されて外部に放出されるようにしても良い。
【0079】
以上の工程によって、本発明の発光素子は図9の構造とされる。
【0080】
以下、図3乃至図9を参照して、本発明の第1実施例に係る具体例について説明する。
【0081】
本発明では、窒化物半導体薄膜成長のために有機金属化学気相蒸着法(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)を用いた。
【0082】
基板10はサファイアとした。アンモニアを窒素源とし、水素と窒素を運搬ガスとした。
【0083】
ガリウム(Ga)、インジウム(In)及びアルミニウム(Al)は、有機金属ソースを使用した。n型ドーパント(dopant)はシリコン(Si)を使用し、p型ドーパントはマグネシウム(Mg)を使用した。
【0084】
サファイア基板10上に3μm厚のn型GaN半導体20薄膜を1030℃で成長させ、圧力は250トール(Torr)を適用した。
【0085】
光結晶周期は1.2μm、ホール21の半径は0.4μm、エッチング深さは3μmを適用した。エッチングされた部分には誘電物質30としてシリコン酸化物(SiO2)を充填した。
【0086】
その後、3μm厚のn型GaN層41を光結晶構造上に成長させ、その上に5対の窒化インジウムガリウム/窒化ガリウム(InGaN/GaN)かならる多重量子井戸(Quantum well)構造の発光層42を形成した。
【0087】
発光層42上に0.1μm厚のp型GaN層43を成長させ、その上端にオーミック特性向上のためにn型GaN層を薄く形成した。
【0088】
素子と素子との間の領域にエポキシを充填した後、p型電極50としてインジウムスズ酸化物(ITO)を0.2μm厚で蒸着したのち、この上層に反射電極60と銅(Cu)で形成された支持層70とを形成した。
【0089】
その後、レーザーを用いてサファイア基板10を除去した後、これにより露出された表面を0.5μmの厚さだけエッチングして、結晶欠陥層を除去した。
【0090】
このように、露出された表面を化学的に処理した後、n型電極90を形成した。
【0091】
このような方法によって形成された素子を単一素子として分離し、パッケージングする。このとき、発光素子の特性を測定した時、素子の輝度は、基準試験片に対して30%以上も向上した。
【0092】
<第2実施例>
次に、添付図面を参照して、本発明の第2実施例について詳細に説明する。
【0093】
まず、基板上に光抽出層を形成する。このために、図10に示すように、基板100を湿式または乾式工程を通じて表面処理する。基板100には、サファイア、シリコン(Si)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコンカーバイド(SiC)などを用いれば良い。
【0094】
この基板100上に、図11に示すように、複数の誘電物質柱200を形成する。誘電物質柱200の水平断面形状は、円形、四角形、六角形、またはそれ以外の多角形にすることができる。
【0095】
この誘電物質柱200は、酸化物または窒化物で形成でき、特に、シリコン酸化物(SiO2)あるいはシリコン窒化物(SiN)などで形成すると良い。
【0096】
誘電物質柱200は、パターン工程またはエッチング工程によって形成されることができる。すなわち、誘電物質層を形成し、これをエッチングして誘電物質柱200を形成することができる。
【0097】
図11に示すように、誘電物質柱200は、領域全体にわたって形成しても良く、場合によっては、単位素子の形成領域にのみ形成しても良く、また、単位素子区分領域には誘電物質を柱の形状に形成せず、誘電物質を充填して形成しても良い(図示せず)。図12は、単位素子形成領域にのみ誘電物質柱200が形成された平面を示している。
【0098】
<第3実施例>
一方、第3実施例として、図13に示すように、基板100上に通常の半導体薄膜成長装置を用いてGaN半導体薄膜110を成長させ、このGaN薄膜110上に上記の誘電物質柱200を形成することができる。
【0099】
このとき、図13に示すように、GaN半導体薄膜110を単位素子形成領域にのみ形成しても良く、半導体薄膜110を面全体にわたって形成し、その中で単位素子区分領域はエッチングして除去しても良い。
【0100】
薄膜110の厚さは、0.001乃至5μmとすることが好ましく、この薄膜110は基板100上でバッファ層として使用されても良い。
【0101】
その後、図14に示すように、GaN半導体薄膜110の形成された部分上に誘電物質柱200を形成する。
【0102】
図15は、GaN半導体薄膜110上に誘電物質柱200が形成された平面を示す図である。
【0103】
また、このような単位素子区分領域には誘電物質柱200を形成せず、区分領域全体に誘電物質を充填して形成しても良い。
【0104】
以降の過程は、GaN半導体薄膜110上に誘電物質柱200を形成した構造を例に挙げて説明する。ただし、基板100上に誘電物質柱200を直接形成した構造においても、以下の過程は同一に適用されることができる。
【0105】
図16に示すように、誘電物質柱200の形成されたGaN半導体薄膜110上に、複数のGaN系半導体層300を形成する。
【0106】
このGaN系列半導体層300は、n型GaN層310、発光層(活性層)320、及びp型GaN層330からなる。発光層は通常、単一構造または多重量子井戸(Quantum well)構造をなす。この時、量子井戸構造をなすために、In、Alなどの物質がGaN物質に混合されて用いられことができる。
【0107】
n型GaN層310は、最初の段階では誘電物質柱200の上側には形成されず、誘電物質柱200間の薄膜110の上側において形成される。
【0108】
このように、薄膜110の上側、誘電物質柱200間においてn型GaN層310が形成されて、誘電物質柱200を覆うようになると、この際、n型GaN層310は、図16のように、層をなして成長する。
【0109】
このとき、単位素子区分領域にはサファイア基板100や誘電物質(図示せず)が充填されているので、GaN系列半導体層300が形成されず、よって、以降の工程段階で素子と素子を分離する別の工程を省くことができる。
【0110】
また、このように、誘電物質柱200上に選択的にGaN半導体層300を形成すると、高品質のn型GaN層310、発光層320及びp型GaN層330を形成できる。
【0111】
これは、誘電物質柱200上に選択的に形成される薄膜層が、基板100に起因する歪(strain)を相当量効率よく緩和できるためである。
【0112】
このような単一素子薄膜層内の歪の減少は、結果として発光層320の内部量子効率を増加させる。
【0113】
さらに、本発明によると、n型GaN層310の下側には誘電物質柱200が位置するので、この上に成長する半導体層300は、基板100と半導体層300薄膜間の界面から始まる本質的な薄膜欠陥である貫通転位(threading dislocations)密度を半分近く減少させることができる。このような転位密度の減少は、素子の性能向上に大きく寄与できる。
【0114】
その後、図17に示すように、分離された素子と素子との間の区分領域にエポキシなどのような熱化学的に除去が容易な物質を充填した後、GaN系半導体層300上には、p型電極400を形成する。このp型電極400はオーミック電極を形成し、p型電極400上には反射効率向上のための反射電極500が形成されることができる。
【0115】
この時、エポキシ等の物質が充填される時期は、異なっても良い。
【0116】
p型電極400としてインジウムスズ酸化物(Indium Tin Oxide)、酸化亜鉛(ZnO)、AlZnO、InZnOなどのような酸化物層を使用する場合には、p型GaN層330上にオーミック特性向上のためにオーミック形成層340として薄膜のn型GaN層がさらに形成されても良い。
【0117】
また、p型電極400または反射電極500上には、支持層600が形成されまたは取り付けられることによって、後で基板100を除去する場合において支持層600を素子全体の構造を支持する支持板として使用することができる。
【0118】
このような支持層600には、熱放出に有利な銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)などの金属板またはこれらの合金を用いて形成される金属板、それ以外にシリコン(Si)基板等のような半導体基板が用いられることができる。この場合、金属板は、反射電極500上にメッキによって形成されることができる。
【0119】
この支持層600を金属板とする場合には、支持層600とp型電極400または反射電極500との間に、金属間接合のためのシードメタル(seed metal)が用いられても良い。
【0120】
その後、GaN半導体層300の薄膜が成長した基板100を除去する。基板100がサファイア基板の場合は、レーザーを用いたり、物理的に除去でき、シリコン基板の場合は、化学的あるいは物理的に除去できる。このように基板100の除去された面は、エッチングして表面処理をすることが好ましい。
【0121】
このとき、基板100が除去されたGaN半導体層300のn型GaN層310には、誘電物質柱200が配列された構造が位置することになる。場合によっては、誘電物質柱200はエッチングによって除去されても良い。このように誘電物質柱200が除去されると、図18に示すように、n型GaN層310には、複数のホール210が形成される。
【0122】
このような誘電物質柱200またはホール210の配列は、一定の周期とパターンを持たなくても発光素子の発光効率を向上させることができる。
【0123】
一方、誘電物質柱200またはホール210が窒化物半導体薄膜層において一定の周期とパターンを持つ場合、このような規則的に整列された柱200またはホール210によって発光面に光結晶構造が形成されることができる。
【0124】
このような光結晶構造の作用は、上記の第1実施例における説明と同様である。
【0125】
すなわち、このような光結晶構造において、光は一定の方向に効果的に放出される特性を持つ。すなわち、上記のフォトニックバンドギャップが形成されるので、発光する光は光結晶構造をなす誘電物質柱200またはホール210に流入、通過せず、誘電物質柱200またはホール210以外の部分を通じて抽出される現象が起きる。
【0126】
このような現象は、周期性を持つ複数のホール210によって形成される光結晶構造における光子(photon)の挙動によって説明することができる。
【0127】
すなわち、周期性を持つ複数のホール210によって、光結晶構造では誘電定数(dielectric constant)が周期的に変わり、このような光結晶構造を伝播する光の挙動に影響を与えることになる。
【0128】
したがって、発光素子から放出される光の光子がいずれもフォトニックバンドギャップに属する場合、全ての光子は、全反射現象と略同様に発光素子を抜け出るようになり、結果として発光効率が増加する。
【0129】
したがって、光結晶構造が効果的に光を放出するためには、誘電物質柱200の高さと半径、柱200と柱200との間隔、エッチングされるホール210の深さと大きさ、及びホール210とホール210との距離などを、放出される光の波長に応じて最適化することが好ましい。
【0130】
窒化物半導体発光素子の場合、誘電物質柱200の高さは0.001〜10μm、柱200の半径は0.001〜6μm、隣接する柱200間の間隔、すなわち、光結晶周期は0.003〜18μmが好ましい。
【0131】
したがって、誘電物質柱200がエッチングされて形成されるホール210の深さは0.001〜10μm、ホール210の半径は0.001〜6μm、隣接するホール210間の間隔、すなわち光結晶の周期は、0.003〜18μmになりうる。
【0132】
このような過程によって形成された発光素子構造の一例を、図18に示す。
【0133】
すなわち、図18に示すように、基板100の除去された面には、n型電極700が形成される。この場合、誘電物質柱200がエッチングされて除去される場合であっても、少なくともn型電極700の形成された部分に対しては誘電物質200を除去しないことが好ましい。
【0134】
また、ホール210が露出された部分には、n型透明オーミック層720を形成して、電流拡散によって発光効率を向上させることができる。
【0135】
一方、n型電極700の下側面には反射層710を形成することによって、n型電極700が発光層320から発される光を吸収せず、反射層710で反射されて外部に放出されるようにしても良い。
【0136】
上記の実施例は本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例で、本発明は、上記の実施例に限定されず、様々な形態の変形が可能であり、このような技術的思想内における様々な実施形態はいずれも本発明の保護範囲に属することは当然である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
支持層と、
前記支持層上に位置する第1電極と、
前記第1電極上に位置する複数の半導体層であって、前記第1電極上に位置するp型GaN層と、前記p型GaN層上に位置する発光層と、前記発光層上に位置するn型GaN層と、を含む複数の半導体層と、
前記n型GaN層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、
前記光結晶層上に位置する第2電極と、
を備える、垂直型発光素子。
【請求項2】
前記光結晶層と第2電極との間に、透明オーミック層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の垂直型発光素子。
【請求項3】
前記透明オーミック層と第2電極との間に、反射層をさらに備えることを特徴とする、請求項2に記載の垂直型発光素子。
【請求項4】
前記第1電極と前記p型GaN層との間に、オーミック形成層をさらに備えることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項5】
前記オーミック形成層は、n型GaN層であることを特徴とする、請求項4に記載の垂直型発光素子。
【請求項6】
前記支持層と第1電極との間には反射電極をさらに備えることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項7】
前記支持層が金属板である場合、前記支持層と前記反射電極との間に、シードメタルをさらに備えることを特徴とする、請求項6に記載の垂直型発光素子。
【請求項8】
前記支持層が金属板である場合、前記支持層と前記第1電極との間に、シードメタルをさらに備えることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項9】
前記光結晶層のうち少なくとも前記第2電極が形成される部分において、前記複数のホール内に誘電物質が充填されていることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項10】
前記誘電物質は、シリコン酸化物、シリコン窒化物のうちのいずれか一つであることを特徴とする、請求項9に記載の垂直型発光素子。
【請求項11】
前記光結晶層の複数のホールの周期は、放出される光の波長の半分であることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項12】
前記光結晶層は、前記ホールの深さが0.05乃至10μmであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項13】
前記光結晶層は、前記ホールの半径が0.01乃至6μmであるであることを特徴とする、請求項1乃至12のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項14】
前記光結晶層は、前記複数のホールが配置される周期が0.03乃至18μmであることを特徴とする、請求項1乃至13のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項15】
前記支持層は、Cu、Au、Niのうちの一つまたはこれらの合金からなる金属を含む金属板、または半導体基板であることを特徴とする、請求項1乃至14のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項16】
前記第2電極は、ITO、ZnO、AlZnO、及びInZnOのうちの少なくともいずれか一つで形成されることを特徴とする、請求項1乃至15のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項17】
前記ホールは、円形、多角形、または六角形の形状であることを特徴とする、請求項1乃至16のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項1】
支持層と、
前記支持層上に位置する第1電極と、
前記第1電極上に位置する複数の半導体層であって、前記第1電極上に位置するp型GaN層と、前記p型GaN層上に位置する発光層と、前記発光層上に位置するn型GaN層と、を含む複数の半導体層と、
前記n型GaN層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、
前記光結晶層上に位置する第2電極と、
を備える、垂直型発光素子。
【請求項2】
前記光結晶層と第2電極との間に、透明オーミック層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の垂直型発光素子。
【請求項3】
前記透明オーミック層と第2電極との間に、反射層をさらに備えることを特徴とする、請求項2に記載の垂直型発光素子。
【請求項4】
前記第1電極と前記p型GaN層との間に、オーミック形成層をさらに備えることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項5】
前記オーミック形成層は、n型GaN層であることを特徴とする、請求項4に記載の垂直型発光素子。
【請求項6】
前記支持層と第1電極との間には反射電極をさらに備えることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項7】
前記支持層が金属板である場合、前記支持層と前記反射電極との間に、シードメタルをさらに備えることを特徴とする、請求項6に記載の垂直型発光素子。
【請求項8】
前記支持層が金属板である場合、前記支持層と前記第1電極との間に、シードメタルをさらに備えることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項9】
前記光結晶層のうち少なくとも前記第2電極が形成される部分において、前記複数のホール内に誘電物質が充填されていることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項10】
前記誘電物質は、シリコン酸化物、シリコン窒化物のうちのいずれか一つであることを特徴とする、請求項9に記載の垂直型発光素子。
【請求項11】
前記光結晶層の複数のホールの周期は、放出される光の波長の半分であることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項12】
前記光結晶層は、前記ホールの深さが0.05乃至10μmであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項13】
前記光結晶層は、前記ホールの半径が0.01乃至6μmであるであることを特徴とする、請求項1乃至12のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項14】
前記光結晶層は、前記複数のホールが配置される周期が0.03乃至18μmであることを特徴とする、請求項1乃至13のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項15】
前記支持層は、Cu、Au、Niのうちの一つまたはこれらの合金からなる金属を含む金属板、または半導体基板であることを特徴とする、請求項1乃至14のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項16】
前記第2電極は、ITO、ZnO、AlZnO、及びInZnOのうちの少なくともいずれか一つで形成されることを特徴とする、請求項1乃至15のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項17】
前記ホールは、円形、多角形、または六角形の形状であることを特徴とする、請求項1乃至16のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2012−212896(P2012−212896A)
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−127702(P2012−127702)
【出願日】平成24年6月5日(2012.6.5)
【分割の表示】特願2007−54043(P2007−54043)の分割
【原出願日】平成19年3月5日(2007.3.5)
【出願人】(502032105)エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド (2,269)
【出願人】(510039426)エルジー イノテック カンパニー リミテッド (279)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年6月5日(2012.6.5)
【分割の表示】特願2007−54043(P2007−54043)の分割
【原出願日】平成19年3月5日(2007.3.5)
【出願人】(502032105)エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド (2,269)
【出願人】(510039426)エルジー イノテック カンパニー リミテッド (279)
【Fターム(参考)】
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