(57)【要約】【課題】凹凸構造を含む発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】凹凸構造で形成された第１半導体層２２と、第１半導体層２２の凹凸構造のパターン間に形成された中間層２３と、第１半導体層２２及び前記中間層２３上に順次に形成された第２半導体層２４、活性層２５及び第３半導体層２６と、を備える凹凸構造を含む半導体発光素子である。【選択図】図２
2006165582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子において、
凹凸構造で形成された第１半導体層と、
前記第１半導体層の凹凸構造のパターン間に形成された中間層と、
前記第１半導体層及び前記中間層上に順次に形成された第２半導体層、活性層及び第３半導体層と、
を備えることを特徴とする凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項３】
前記中間層は、屈折率が２．５以下の透光性物質で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項４】
前記中間層は、透明絶縁体であってＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２またはＺｒＯのうち少なくとも何れか一つを含んで形成されたことを特徴とする請求項３に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項５】
前記中間層は、透明伝導体であってＺｎＯで形成させるか、またはＩｎ酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも何れか一つの添加物を含めて形成させることを特徴とする請求項３に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１半導体層、前記第２半導体層、及び前記第３半導体層は、ＧａＮを含んで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１半導体層及び前記中間層は、サファイア基板上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項８】
前記第３半導体層上に形成された第１電極と、
前記第２半導体層の前記活性層が形成されていない領域に形成された第２電極と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１半導体層の凹凸パターンの形状は、六角梯形、六角柱状またはこれらの逆の形状であることを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子。
【請求項１０】
凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法において、
（ａ）基板上に第１半導体層を形成させる工程と、
（ｂ）前記第１半導体層をエッチングして凹凸構造で形成させ、前記基板の一部を露出させる工程と、
（ｃ）前記第１半導体層の凹凸構造間の前記露出された基板上に中間層を形成させる工程と、
（ｄ）前記第１半導体層及び前記中間層上に第２半導体層、活性層及び第３半導体層を順次に形成させる工程と、
を含むことを特徴とする凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記（ｂ）工程は、
前記第１半導体層の表面にエッチピットを形成させる第１エッチング工程と、
前記第１半導体層のエッチピットをエッチングして前記基板の表面を露出させる第２エッチング工程と、
を含むことを特徴とする請求項１０に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１エッチング工程は、Ｈ３ＰＯ４を使用し、前記第２エッチング工程は、ＫＯＨを使用してエッチングを行うことを特徴とする請求項１１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記（ｃ）工程は、
前記露出された基板及び凹凸構造の前記第１半導体層上に透光性物質を塗布する工程と、
前記第１半導体層の表面が露出されるように前記透光性物質を除去してレべリングして前記中間層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１０に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記中間層は、透明絶縁体であってＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２またはＺｒＯのうち少なくとも何れか一つを含んで形成させることを特徴とする請求項１３に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記中間層は、透明伝導体であってＺｎＯで形成させるか、またはＩｎ酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、ＰｒおよびＬａからなる群から選択される少なくとも何れか一つの添加物を含めて形成させることを特徴とする請求項１３に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記透光性物質を塗布した後に熱処理を実施する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記露出された前記基板表面を乾式エッチングによってエッチングする第３エッチング工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の凹凸構造を含む半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に係り、さらに詳細には、半導体発光素子に凹凸構造を採用する場合、光抽出効率を向上させる半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、発光素子（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、化合物半導体の特性を利用して、電気エネルギーを赤外線、可視光線または光の形態に変換させた信号の発信に使われる素子である。ＬＥＤは、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ）の一種であり、現在ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を利用したＬＥＤが実用化されている。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、直接遷移型半導体であり、他の半導体を利用した素子より高温で安定した動作が得られ、ＬＥＤやレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く応用されている。このようなＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、通常、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）を基板として利用してその上に形成されることが一般的であり、発光効率、すなわち、光の抽出効率を向上させるために多様な構造のＬＥＤに関する研究が進められている。現在、ＬＥＤの光抽出領域に凹凸構造を形成させて光抽出効率を向上させようとする研究が進められている。
【０００４】
異なる屈折率を有する物質層の界面では、各物質層の屈折率による光の進行が制限される。平坦な界面において、屈折率が高い（ｎ＝２．５）半導体層から屈折率が低い空気層（ｎ＝１）に光が進められる場合、界面の垂直方向を基準として所定角度以下で平坦な界面に入射せねばならない。所定角度以上で入射する場合、平坦な界面で全反射されて光抽出効率が大きく低下する。したがって、これを防止するために、界面に凹凸構造を導入する方法が試みられた。
【０００５】
図１Ａ及び図１Ｂは、従来の技術による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤを示す図面である。図１Ａを参照すれば、ｐ−電極１０１上にｐ−ＧａＮ層１０２、活性層１０３、ｎ−ＧａＮ層１０４が順次に形成されており、ｎ−ＧａＮ層１０４上にｎ−電極１０５が形成されている。活性層１０３から発生した光がｎ−ＧａＮ層１０４を通じて上部に抽出される場合、その入射角度を変化させるために、ｎ−ＧａＮ層１０４と空気層との界面に凹凸構造１０６を導入した。
【０００６】
図１Ｂを参照すれば、サファイア基板１１１上にｎ−ＧａＮ層１１２が形成されており、ｎ−ＧａＮ層１１２の一部領域上にｎ−ＡｌＧａＮ層１１３、活性層１１４、ｐ−ＡｌＧａＮ層１１５、ｐ−ＧａＮ１１６及びｐ電極１１７が順次に形成されている。そして、ｎ−ＧａＮ層１１２のｎ−ＡｌＧａＮ層１１３が形成されていない領域上にｎ−電極１１８が形成されていることが分かる。このような構造は、フリップチップ（ｆｒｉｐ−ｃｈｉｐ）形態であって活性層１１４から発生した光を主に透光性のサファイア基板１１１方向に抽出させて利用する。ここでは、サファイア基板１１１の表面に凹凸構造１２０を形成させることによって、光抽出効率を向上させる。
【０００７】
このような従来の技術による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤの場合、主に光抽出効率を向上させるために凹凸構造を導入したものである。しかし、特に、図１Ｂに示したように、サファイア基板１１１をパターニングして凹凸構造を導入する場合、サファイア基板１１１とその上部に形成される半導体層の結晶構造とが合わず、半導体層の欠陥が発生しやすくて、均質な半導体層の成長が難しい。したがって、内部的な結晶欠陥によって光効率が低下するという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明では、前記従来の技術の問題点を解決するために、半導体ＬＥＤの光抽出効率を向上させ、かつ半導体ＬＥＤの内部の結晶欠陥を減少させうる半導体ＬＥＤの構造及びそれを形成させる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、前記目的を達成するために、半導体ＬＥＤにおいて、凹凸構造で形成された第１半導体層と、前記第１半導体層の凹凸構造のパターン間に形成された中間層と、前記第１半導体層及び前記中間層上に順次に形成された第２半導体層、活性層及び第３半導体層と、を備える凹凸構造を含む半導体ＬＥＤを提供する。
【００１０】
本発明において、前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記中間層は、屈折率が２．５以下の透光性物質で形成されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記中間層は、透明絶縁体であってＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２またはＺｒＯのうち少なくとも何れか一つを含んで形成されたことを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記中間層は、透明伝導体であってＺｎＯで形成させるか、またはＩｎ酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも何れか一つの添加物を含めて形成させることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記第１半導体層、前記第２半導体層、及び前記第３半導体層は、ＧａＮを含んで形成されたことを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記第１半導体層及び前記中間層は、サファイア基板上に形成されたことを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記第３半導体層上に形成された第１電極と、前記第２半導体層の前記活性層が形成されていない領域に形成された第２電極と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明において、前記第１半導体層の凹凸パターンの幅は、上方に行くほど狭くなることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明では、凹凸構造を含む半導体ＬＥＤの製造方法において、（ａ）基板上に第１半導体層を形成させる工程と、（ｂ）前記第１半導体層をエッチングして凹凸構造で形成させ、前記基板の一部を露出させる工程と、（ｃ）前記第１半導体層の凹凸構造間の前記露出された基板上に中間層を形成させる工程と、（ｄ）前記第１半導体層及び前記中間層上に第２半導体層、活性層及び第３半導体層を順次に形成させる工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明において、前記（ｂ）工程は、前記第１半導体層の表面にエッチピットを形成させる第１エッチング工程と、前記第１半導体層のエッチピットをエッチングして前記基板の表面を露出させる第２エッチング工程と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
本発明において、前記第１エッチング工程は、Ｈ３ＰＯ４を使用し、前記第２エッチング工程は、ＫＯＨを使用してエッチングを行うことを特徴とする。
【００２１】
本発明において、前記（ｃ）工程は、前記露出された基板及び凹凸構造の前記第１半導体層上に透光性物質を塗布する工程と、前記第１半導体層の表面が露出されるように前記透光性物質を除去してレべリングして前記中間層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明において、前記透光性物質を塗布した後に熱処理を実施する工程をさらに含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明において、前記露出された前記基板の表面を乾式エッチングによってエッチングする第３エッチング工程をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、半導体ＬＥＤの半導体層に凹凸構造のパターンを形成させることによって、活性層から発生した光の抽出効率を大きく向上させつつ、半導体素子の内部の欠陥を減少させて半導体ＬＥＤの安定した動作を誘導して、その寿命を延長させうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤ及びその製造方法についてさらに詳細に説明する。
【００２６】
図２及び図３は、本発明の実施形態による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤを示す図面である。
【００２７】
図２は、フリップチップ状の半導体ＬＥＤに適用された凹凸構造を示し、図３は、バーチカル（ｖｅｒｔｉｃａｌ）状の半導体ＬＥＤに適用された凹凸構造を示す図面である。
【００２８】
図２を参照すれば、透光性基板２１上に第１半導体層２２及び中間層２３が凹凸構造で形成されており、その上部に第２半導体層２４が形成されている。そして、第２半導体層２４上の第１領域に活性層２５、第３半導体層２６、第１電極２７が順次に形成されている。第２半導体層２４の第２領域には、第２電極２８が形成されている。
【００２９】
各層の物質を例示的に記述すれば、次の通りである。透光性基板２１は、一般的に広く使われるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を使用でき、第１半導体層２２及び第２半導体層２４は、ｐ−ＧａＮで形成されうる。そして、中間層２３は、屈折率２．５以下の透明絶縁体または透明伝導体で形成させることが望ましい。例えば、透明絶縁体としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２またはＺｒＯを使用できる。そして、透明伝導体としては、ＺｎＯ、または、Ｍｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、ＰｒおよびＬａからなる群から選択される少なくとも何れか一つの添加物が含まれたＩｎ酸化物を使用できる。ここで、中間層２３は、透光性物質を使用することが分かる。活性層２５は、通常、半導体ＬＥＤまたはレーザＬＥＤに使われる物質で形成させ、多重量子構造の多層構造で形成されうる。第３半導体層２６は、ｐ−ＧａＮで形成され、このとき、第１電極２７は、ｐ型伝導性物質で形成させ、第２電極２８は、ｎ型伝導性物質で形成させうる。
【００３０】
図２に示したように、本発明の実施形態による凹凸構造は、第１半導体層２２の凹凸形状にパターニングされた領域内に中間層２３が形成された構造である。ここで、第１半導体層２２の凹凸形状のパターン間の距離は、一定ではなく、その距離は、第１半導体層２２内の欠陥、特にらせん転位によって決定される。これについては後述する製造工程で詳細に説明する。このような半導体ＬＥＤの構造によれば、第１半導体層２２の欠陥領域に中間層２３が形成され、その上部に再び第２半導体層２４が形成されて半導体ＬＥＤの内部の結晶欠陥を減少させ、凹凸構造を導入して活性層２５内で発生する光の外部抽出効率を向上させうる。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態による凹凸構造を有するバーチカル状の半導体ＬＥＤについての図面であって、下部構造体３１上に第１電極３２、第３半導体層３３、活性層３４、第２半導体層３５が順次に形成されている。そして、第２半導体層３５上には、凹凸形状にパターニングされた第１半導体層３７及び中間層３６が形成されている。そして、第１半導体層３７及び中間層３６上には、第２電極３８が形成されている。
【００３２】
図３に示したバーチカル状の半導体ＬＥＤの各構成層の物質は、次の通りである。第１半導体層３７及び第２半導体層３５は、ｐ−ＧａＮで形成されうる。そして、中間層３６は、屈折率２．５以下の透明絶縁体または透明伝導体で形成させることが望ましい。例えば、透明絶縁体としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２またはＺｒＯを使用できる。そして、透明伝導体として、ＺｎＯ、または、Ｍｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、ＰｒおよびＬａからなる群から選択される少なくとも何れか一つの添加物が含まれたＩｎ酸化物を使用できる。活性層３４は、通常、半導体ＬＥＤまたはレーザＬＥＤに使われる物質で形成させ、多重量子ウェル構造の多層構造で形成されうる。第３半導体層３３は、ｐ−ＧａＮで形成され、このとき、第１電極３２は、ｐ型伝導性物質で形成させ、第２電極３８は、ｎ型伝導性物質で形成させうる。
【００３３】
図３に示した本発明の実施形態による凹凸構造は、第１半導体層３７の凹凸形状にパターニングされた領域内に中間層３６が形成された構造である。ここで、第１半導体層３７の凹凸形状のパターン間の距離は、一定ではなく、第１半導体層３７内の欠陥、特に、らせん転位によって決定される。このような半導体ＬＥＤの構造によれば、第１半導体層３７の欠陥領域に中間層３６が形成され、その上部に再び第２半導体層３５が形成されて半導体ＬＥＤの内部の結晶欠陥を減少させ、凹凸構造を導入して活性層３３内で発生する光の外部抽出効率を向上させうる。
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態による凹凸構造を有する半導体ＬＥＤの製造方法について詳細に説明する。
【００３５】
図４Ａを参照すれば、基板４１上に第１半導体層４２を形成させる。ここで、基板４１は、サファイア基板（屈折率ｎ＝１．７８）を使用し、第１半導体層４２は、例えば、ｎ−ＧａＮで形成させる。そして、第１半導体層４２の表面をＨ３ＰＯ４によって第１エッチング工程を実施する。サファイア物質とＧａＮとは、結晶構造が異なるため、その内部的に結晶欠陥が形成されやすい。特に、垂直方向に形成された結晶欠陥、例えば、らせん転位４３が形成され、これは、サファイア基板４１から第１半導体層４２の表面方向に形成されうる。第１半導体層４２の表面は、Ｈ３ＰＯ４によって湿式エッチング工程を実施すれば、特に、らせん転位４３領域で主にエッチングが進められてエッチピットが形成される。エッチング方向は、らせん転位４３の方向に沿う下方に進められるだけでなく、側方向にも進められる。図６Ａでは、図４Ａに示したように、Ｈ３ＰＯ４によってエッチング工程を実施した場合の第１半導体層４２を示すイメージである。
【００３６】
次いで、図４Ｂを参照すれば、第１半導体層４２に対してＫＯＨによって第２エッチング工程を進める。ＫＯＨによるエッチング工程を実施すれば、第１半導体層４２のらせん転位４３の垂直下方にエッチングが進められる。ＫＯＨによる第１半導体層４２のエッチング方向は、Ｈ３ＰＯ４とは違って主に垂直下方に進められ、結局、基板４１の表面が現れ、第１半導体層４２の断面が梯形構造にパターニングされた凹凸形状となる。４２ａは、Ｈ３ＰＯ４及びＫＯＨによってエッチングされた領域を表す。このように、第１半導体層４２に対するエッチング工程を行った結果を、図６Ｂのイメージで表した。図６Ｂを参照すれば、サファイア基板４１の表面までＫＯＨによってエッチングされて第１半導体層４２の断面が梯形の凹凸形状であることが分かる。
【００３７】
次いで、図４Ｃを参照すれば、基板４１上の凹凸形状にパターニングされた第１半導体層４２上に中間層４４を塗布する。活性層から発生した光が凹凸形状を通じて外部に抽出されるので、中間層４４は、透光性の高い物質で形成させることが望ましい。例えば、屈折率が２．５以下の透明絶縁体または透明伝導体で形成させることが望ましい。例えば、透明絶縁体としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２またはＺｒＯを使用できる。そして、透明伝導体としては、ＺｎＯ、または、Ｍｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、ＰｒおよびＬａからなる群から選択される少なくとも何れか一つの添加物が含まれたＩｎ酸化物を使用できる。これらは約１．４ないし１．８の屈折率を有する。図６Ｃでは、凹凸形状にパターニングされた第１半導体層４２上に中間層４４が形成されたことを表したイメージ写真である。中間層４４は、第１半導体層４２の上部だけでなく、第１半導体層４２のエッチングされた領域にも形成されていることが分かる。中間層４４を塗布した後、アニーリング工程をさらに実施できる。例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のＨ２雰囲気下で、約１１００℃で約１時間実施する。
【００３８】
次いで、図４Ｄを参照すれば、凹凸形状にパターニングされた第１半導体層４２の上部を露出させるために中間層４４の上部を水平方向に除去するレべリング工程を実施する。したがって、第１半導体層４２の凹凸構造の間のみ中間層４４が残存する構造となる。
【００３９】
次いで、図４Ｅを参照すれば、露出された第１半導体層４２及び残存した中間層４４上に第２半導体層４５が形成される。第２半導体層４５は、第１半導体層４２と同じ物質で形成させることが望ましく、例えば、ｎ−ＧａＮで形成させる。この場合、相対的に結晶欠陥のない第１半導体層４２上で成長するので、サファイア基板４１の表面で直接形成させる場合に比べて、結晶欠陥が大きく減少する。
【００４０】
前述したような図４Ａないし図４Ｅの工程によって、本発明の実施形態による凹凸形状を半導体ＬＥＤ内に形成させうる。第２半導体層４５上に形成される活性層、第３半導体層は、従来の技術による工程を利用すれば、容易に形成できる。このように形成した凹凸構造をフリップチップ構造としてそのまま利用でき、下部基板を除去し、電極をさらに形成させてバーチカル構造として利用できる。
【００４１】
このような工程で、半導体ＬＥＤ内に凹凸構造を形成させれば、従来の技術と違って、光の抽出効率を向上させるだけでなく、素子内部の結晶欠陥も大きく減少させ、安定した性能を発揮してその寿命を延長させうる。
【００４２】
以下、図５Ａないし図５Ｅを参照して、本発明の第２実施形態による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤの製造工程について詳細に説明する。
【００４３】
図５Ａを参照すれば、基板５１上に第１半導体層５２を形成させる。ここで、基板５１は、サファイア基板を使用し、第１半導体層５２は、例えば、ｎ−ＧａＮを使用できる。第１半導体層５２を塗布した後、第１半導体層５２の表面をＨ３ＰＯ４によって第１エッチング工程を実施する。第１半導体層５２の表面は、Ｈ３ＰＯ４によって湿式エッチング工程を実施すれば、特に、らせん転位５３領域で主にエッチングが進められてエッチピットが形成される。エッチング方向は、らせん転位５３の方向に沿う下方に進められるだけでなく、側方向にも進められる。
【００４４】
次いで、図５Ｂを参照すれば、第１半導体層５２に対してＫＯＨによって第２エッチング工程を進める。ＫＯＨによるエッチング工程を実施すれば、第１半導体層５２のらせん転位５３の垂直下方にエッチングが進められる。ＫＯＨによる第１半導体層５２のエッチング方向は、Ｈ３ＰＯ４とは違って、主に垂直下方に進められ、結局、基板５１の表面が現れ、第１半導体層５２の断面が梯形構造でパターニングされた凹凸形状となる。５２ａは、Ｈ３ＰＯ４及びＫＯＨによってエッチングされた領域を表す。このとき、ＫＯＨによる第１半導体層５２のエッチングを進めた後、乾式エッチングによって露出された基板５１領域に対してエッチング工程を進める。したがって、露出された基板５１領域がエッチングされて溝が形成される。図６Ｄでは、ＫＯＨによる第１半導体層５２のエッチングを進めた後、再び乾式エッチングを進めて基板５１をエッチングしたことを表したイメージである。
【００４５】
次いで、図５Ｃを参照すれば、基板５１上の凹凸形状にパターニングされた第１半導体層５２上に中間層５４を塗布する。活性層から発生した光が凹凸形状を通じて外部に抽出されるので、中間層５４は、透光性の高い屈折率２．５以下の透明絶縁体または透明伝導体で形成させることが望ましい。例えば、透明絶縁体としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２またはＺｒＯを使用できる。そして、透明伝導体としては、ＺｎＯ、または、Ｍｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、ＰｒおよびＬａからなる群から選択される少なくとも一つの添加物が含まれたＩｎ酸化物を使用できる。中間層５４を塗布した後、アニーリング程をさらに実施できる。例えば、ＭＯＣＶＤのＨ２雰囲気下で、約１１００℃で約１時間実施する。
【００４６】
次いで、図５Ｄを参照すれば、凹凸形状にパターニングされた第１半導体層５２の上部を露出させるために中間層５４の上部を水平方向に除去するレべリング工程を実施する。したがって、第１半導体層５２の凹凸構造間でのみ中間層５４が存在する。
【００４７】
次いで、図５Ｅを参照すれば、露出された第１半導体層５２及び残存した中間層５４上に第２半導体層５６が形成される。第２半導体層５６は、第１半導体層５２と同じ物質で形成させることが望ましく、例えば、ｎ−ＧａＮで形成させる。この場合、相対的に結晶欠陥のない第１半導体層５２上で成長するので、サファイア基板４１の表面で直接形成させる場合に比べて、結晶欠陥が大きく減少する。そして、第２半導体層５６上に形成される活性層、第３半導体層は、従来の技術による工程を利用すれば、容易に形成できる。
【００４８】
図７は、本発明の実施形態よる凹凸構造を含む半導体ＬＥＤと従来の技術による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤとの光抽出効率を示すグラフである。図２及び図３を参照すれば、凹凸形状のパターンが形成された第１半導体層のパターンの形態は、六角梯形、六角柱状またはこれらの逆の形状であることが分かる。これを逆梯形に定義する。各パターンの直径及び各パターン間の間隔を１μｍ、パターンの高さを０．５μｍに形成して光抽出効率を照射した。その結果、本発明の実施形態による凹凸構造（ｎ＝１．４）を含む半導体ＬＥＤは、一般的な平面構造（ＰＬＡＮＡＲ  ＬＥＤ）の半導体ＬＥＤ（Ｒｅｆ１）に比べて最大約８５％の光抽出効率が向上し、一般的な梯形の凹凸基板（ＰＳＳ：Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ、ｎ＝１．７８）構造を有する半導体ＬＥＤ（Ｒｅｆ  ２）は、最大約７７％で光抽出効率が向上した。
【００４９】
前述した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、半導体ＬＥＤやＬＤなどの発光素子に関連した技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】従来の技術による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤを示す図面である。
【図１Ｂ】従来の技術による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤを示す図面である。
【図２】本発明による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤの構造を示す図面である。
【図３】本発明による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤの構造を示す図面である。
【図４Ａ】本発明の第１実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図４Ｃ】本発明の第１実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図４Ｄ】本発明の第１実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図４Ｅ】本発明の第１実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図５Ａ】本発明の第２実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図５Ｂ】本発明の第２実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図５Ｃ】本発明の第２実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図５Ｄ】本発明の第２実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図５Ｅ】本発明の第２実施形態による半導体ＬＥＤの製造方法を示す図面である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による半導体ＬＥＤの製造工程のうちイメージを示す図面である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による半導体ＬＥＤの製造工程のうちイメージを示す図面である。
【図６Ｃ】本発明の実施形態による半導体ＬＥＤの製造工程のうちイメージを示す図面である。
【図６Ｄ】本発明の実施形態による半導体ＬＥＤの製造工程のうちイメージを示す図面である。
【図７】本発明による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤ及び従来の技術による凹凸構造を含む半導体ＬＥＤの光抽出効率を示す図面である。
【符号の説明】
【００５２】
２１    基板、
２２    第１半導体層、
２３    中間層、
２４    第２半導体層、
２５    活性層、
２６    第３半導体層、
２７    第１電極、
２８    第２電極。
【図１Ａ】
2006165582.tif 000003
【図１Ｂ】
2006165582.tif 000004
【図２】
2006165582.tif 000005
【図３】
2006165582.tif 000006
【図４Ａ】
2006165582.tif 000007
【図４Ｂ】
2006165582.tif 000008
【図４Ｃ】
2006165582.tif 000009
【図４Ｄ】
2006165582.tif 000010
【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図７】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
2006165582.tif 000018
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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