(57)【要約】【課題】  ＧａＮベースのＬＥＤの表面を粗くすることによって、光取り出し効率を向上させる手段を提供する。【解決手段】  窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）で、光はＬＥＤの窒素面（Ｎ面）（４２）を介して取り出される。また、Ｎ面（４２）の表面は１つ以上の六角形状円錐に粗くされる。表面を粗くすると、ＬＥＤ内部で繰り返し起こる光の反射が減り、そのため、より多くの光をＬＥＤから取り出せる。Ｎ面（４２）の表面は、異方性エッチングによって粗くされる。この異方性エッチングとしては、乾式エッチング、ＰＥＣエッチングが挙げられ得る。【選択図】  図３
2011082587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのｎ型層、発光層、およびｐ型層からなる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
該発光層からの光が、該発光ダイオードの窒素面（Ｎ面）表面を介して取り出され、該発光ダイオードの該Ｎ面表面は、該発光ダイオードのＮ面表面からの光取り出し効率を増加させるような構造からなることを特徴とする、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【請求項２】
前記発光層からの光は、前記発光ダイオードの前記発光層とは異なる層のＮ面表面を介して取り出されることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記発光層からの光は、前記発光ダイオードの前記ｎ型層のＮ面表面を介して取り出されることを特徴とする、請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記発光ダイオードは、さらにｐ型層上のｐ型電極を具備し、該ｐ型電極は高反射特性を有し、ｎ型層のＮ面表面へ向かう光反射を増加させることを特徴とする、請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記発光ダイオードは、さらにｎ型層上のｎ型電極と、電流が該ｎ型電極の下に集中しないようにし、該ｎ型電極下での光放射の吸収を避け、光取り出し効率を増やすために該ｎ型電極の下に位置合わせした電流ブロック層を具備することを特徴とする、請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記構造は複数のエッチングされた錐体をからなることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記エッチングされた錐体は、前記Ｎ面表面から取り出された光の波長よりも大きいことを特徴とする、請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記エッチングされた錐体が、
２ｓｉｎ-1（ｎair ／ｎs ）
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体であり、ここで、ｎair は大気の屈折率で、ｎs はＮ面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記エッチングされた錐体が、
２ｓｉｎ-1（ｎenc ／ｎs ）
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体からなり、ここでｎenc は前記Ｎ面表面に堆積されたエポキシの屈折率で、ｎs はＮ面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記ｎ型層、前記発光層および前記ｐ型層は、それぞれ（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記発光ダイオードのＮ面表面からの光取り出し効率の増加が、構造物のないＮ面表面に比べて１００％を超えることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記光は、前記発光ダイオードの成長方向に沿って形成される空洞により生じる空洞モード、干渉効果、または縦モードを示さないことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記発光ダイオードは、発光面積を著しく減らすことなく、前記発光ダイオードの側壁を流れるリーク電流を抑制する、絶縁体から作成された電流閉じ込め枠を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記発光ダイオードは、熱伝導性の高い材料上に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法であって、
基板上に該（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ発光ダイオードの少なくとも一つのｎ型層、発光層、およびｐ型層を作製する工程と、
該層から該基板を除去することにより、該発光ダイオードの窒素面（Ｎ面）表面を露出させる工程と、
該露出した発光ダイオードのＮ面表面を、該発光ダイオードのＮ面表面からの光取り出し効率を増加するように構築する工程とを含むことを特徴とする、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ発光ダイオードの製造方法。
【請求項１６】
前記発光ダイオードのＮ面表面は、異方性エッチングを用いて構築されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記異方性エッチングがドライエッチングであること特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記異方性エッチングがウェットエッチングであることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記ウェットエッチングがフォトエンハンスト化学（ＰＥＣ）エッチングであることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記発光ダイオードのＮ面表面が、前記発光ダイオードのＮ面表面を粗面化またはパターニングすることにより構築されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記発光層からの光が、前記発光ダイオードの前記発光層とは異なる層のＮ面から取り出されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記発光層からの光が、前記発光ダイオードの前記ｎ型層の前記Ｎ面表面から取り出されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記発光ダイオードはさらにｐ型層上のｐ型電極を具備し、該ｐ型電極は高反射特性を有し、ｎ型層のＮ面表面へ向かう光反射を増加させることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記発光ダイオードは、さらにｎ型層上のｎ型電極と、電流が該ｎ型電極の下に集中しないようにし、該ｎ型電極下での光放射の吸収を避け、光取り出し効率を増やすために該ｎ型電極の下に位置合わせした電流ブロック層を具備することを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記構造は複数のエッチングされた錐体をからなることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記エッチングされた錐体は、前記Ｎ面表面から取り出された光の波長よりも大きいことを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記エッチングされた錐体が、
２ｓｉｎ-1（ｎair ／ｎs ）
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体であり、ここで、ｎair は大気の屈折率で、ｎs はＮ面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記エッチングされた錐体が、
２ｓｉｎ-1（ｎenc ／ｎs ）
以下の角度を有する複数の六角形状の錐体からなり、ここでｎenc は前記Ｎ面表面に堆積されたエポキシの屈折率で、ｎs はＮ面表面の屈折率であることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記ｎ型層、前記発光層および前記ｐ型層は、それぞれ（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ合金からなることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項３０】
前記発光ダイオードのＮ面表面からの光取り出し効率の増加が、構造物のないＮ面表面に比べて１００％を超えることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項３１】
前記光は、前記発光ダイオードの成長方向に沿って形成される空洞により生じる空洞モード、干渉効果、または縦モードを示さないことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項３２】
前記発光ダイオードは、発光面積を著しく減らすことなく、前記発光ダイオードの側壁を流れるリーク電流を抑制する、絶縁体から作製された電流閉じ込め枠を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項３３】
前記発光ダイオードは、熱伝導性の高い材料上に設置されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関する。より特定的には、表面粗化による高効率の窒化ガリウムベースの発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
（注：本出願は、本明細書全体を通して一つ以上の参照番号で示される、多数の様々な文献を参照する。これら様々な文献は、参照番号順に、リストとして「参考文献」の項目で以下に示される。これらの文献のそれぞれは、本明細書で、参考として援用される）。
窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの大きなバンドギャップの半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）は、約１０年前から利用可能になってきた。このＬＥＤ開発の進歩によって、ＬＥＤ技術に大きな変化がもたらされ、フルカラーＬＥＤディスプレイ、ＬＥＤ信号機、白色ＬＥＤなどが実現されてきた。
【０００３】
近年、高効率の白色ＬＥＤが、蛍光灯に置き換わる可能性があるものとして、大きな関心を集めている。特に、白色ＬＥＤの効率（７４ｌｍ／Ｗ）（非特許文献１）は、普通の蛍光灯（７５ｌｍ／Ｗ）に近づきつつある。それにも関わらず、更なる効率改善が望ましい。
ＬＥＤの効率を改善するためには、主として二つのアプローチがある。第一のアプローチは、内部量子効率（ηi）を上げることであり、これは結晶品質やエピタキシャル層の構造によって決定される。一方、第二のアプローチは、光取り出し効率（η取り出し）を上げることである。
【０００４】
内部量子効率を上げることは、容易にできることではない。典型的なηi値は、青色ＬＥＤでは、約７０％を超え（非特許文献２）、低転位ＧａＮ基板に成長した紫外線（ＵＶ）ＬＥＤでは、最近、約８０％のηi値を示している（非特許文献３）。これには改善の余地はほとんどない。
その一方、光取り出し効率を改善する余地は、十分にある。内部光の損失を抑えるために、数多くの課題が挙げられている。例えば、高反射鏡、粗い表面などの低反射表面、非常に熱散乱しやすい構造などである。
【０００５】
例えば、ＧａＮ（ｎ〜２．５）と空気の屈折率を考え（非特許文献４）、光脱出円錐（ｌｉｇｈｔ  ｅｓｃａｐｅ  ｃｏｎｅ）に対する臨界角が約２３°の場合を考える。光は側壁から発生し、後壁は無視されるものと仮定すると、内部光の約４％のみ取り出され得ることが期待される。脱出円錐の外の光は、側壁を介して脱出しない限り、基板の中に反射されるか、活性層または電極に繰り返し反射されるか、吸収されるかである。
【０００６】
ＬＥＤ構造は、光がどの程度発生されるかに影響を及ぼす。光取り出し効率におけるＬＥＤ構造の影響は、実施例によって、好適に記載される。以下の実施例で、ＬＥＤ構造の幾つかの種類を記載する。
図１は、従来型ＬＥＤ構造の模式的な断面図である。この構造はｐ型パッド電極１０、半透明電極１２、ｐ型層１４、活性領域１６、ｎ型層１８、ｎ型電極２０および基板２２を含む。ＧａＮは通常、例えば、サファイアのような絶縁体基板に成長されるため、ｐ型電極１０およびｎ型電極２０は同一平面上に製造される必要があり、その結果得られる電極１０と２０のデバイス構造は、電流の流れを長手方向に拘束してきた。ｐ型ＧａＮは抵抗率が高いため、薄い金属膜が、ｐ型ＧａＮに電流を広げるための半透明電極１２として用いられた。半透明電極１２の透明性は１００％であるべきことが望ましい。しかしながら、ＧａＮベースのＬＥＤで使われている薄い金属電極におけるその値は、せいぜい７０％である。さらに、パッド電極１０は、ワイヤボンディング用に形成されなくてはならず、そのワイヤボンディングはＬＥＤ内部から発生される光を暗くする。その結果、光取り出し効率は、極めて低くなることが予想される。
【０００７】
図２は、フリップチップ型ＬＥＤ構造の模式的な断面図である。この構造は、透明なサファイア基板２４、ｎ型層２６、ｎ型電極２８、活性領域３０、ｐ型層３２、ｐ型電極３４、ハンダ３６およびホストサブマウント（ｈｏｓｔ  ｓｕｂｍｏｕｎｔ）３８を含む。外部効率を上げるためには、光はフリップチップ型ＬＥＤ構造の透明なサファイア基板２４を介して取り出しされ得る。本方法は、薄い金属膜とパッド電極による光吸収が減少する従来型ＬＥＤに比べ、有利である。しかしながら、活性領域から発する光のほとんどは、基板２４とｎ型層２６の界面、および、基板２４と空気との間の界面で反射される。
【０００８】
サファイア基板からＧａＮ膜を剥がす方法は「レーザリフトオフ」（ＬＬＯ）技術と呼ばれている。この方法をフリップチップ型ＧａＮベースのＬＥＤに適用することで、サファイア基板のないＧａＮのＬＥＤが実現され得る。この結果得られるＧａＮ表面は非平面の配向に加工されると仮定すると、光取り出し効率の著しい向上が期待される。
光取り出し効率を上げる別のアプローチは、ＬＥＤの表面を粗くすることである（特許文献１）。このアプローチは、内部の光反射を弱め、光を上方に散乱させる。しかしながら、表面の粗いＬＥＤは、材料がリン化ガリウム（ＧａＰ）系との関連でのみ述べられてきた。なぜなら、ＧａＮは非常に耐久性ある材料で、通常のウェットエッチング方法では大した効果が出ないからである。このように、光散乱のために半導体表面を粗くしようというアイデアは、１９７０年代に最初に考えられたにも関わらず、この種のＬＥＤ構造で製造するのは、困難でコスト高であると信じられてきた。
【０００９】
しかしながら、上述のように、典型的なＧａＮベースのＬＥＤは、サファイアまたは炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の上に、薄いｐ−ＧａＮ／活性層／ｎ−ＧａＮ膜で構成されている。粗い表面を製造するためには、ある程度のＧａＮ厚さが必要である（非特許文献５）が、ｐ−ＧａＮは抵抗率が比較的高いため、厚いｐ−ＧａＮを成長させることは望ましいことではない。そのため、光がｐ−ＧａＮを介して取り出されるなら、ｐ−ＧａＮ表面に半透明なコンタクトが必要である。また、表面を粗くするためのドライエッチング（非特許文献６）のような処理は、電気的特性の劣化を招き得る。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、ｐ側を下にする構造を成長させることも、望ましくない。なぜなら、マグネシウム（Ｍｇ）メモリ効果（非特許文献７）によって、活性層が劣化するからである。
【００１０】
最近、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）方法が、基板に成長したＧａＮ膜から、サファイア基板を剥がすために使われている（非特許文献８、非特許文献９、非特許文献１０）。さらに、ＬＬＯはＧａＮベースのＬＥＤ構造にも用いられてきている（非特許文献１１、非特許文献１２）。しかしながら、この技術が表面形状や光取り出し効率に与える影響についての文献はない。
【００１１】
一方、本発明において、フリップチップ技術（非特許文献１３）とＬＬＯ方法を利用すると、基板のない窒素（Ｎ）側を上とするＧａＮベースのＬＥＤ構造が作成できる。その後、異方性エッチングプロセスは、Ｎ側を上とするＧａＮベースのＬＥＤの表面を粗くするために、用いられ得る。この結果得られる六角形状「擬円錐」表面は、光取り出しには優位である。表面を最適に粗くしたＬＥＤの光取り出し効率は、粗くする前のＬＥＤに比べ、１００％を超す増加率を示す。
【００１２】
かねてから、ＧａＮは異方性エッチングが難しいと考えられていることには注意したい。これは、ＧａＮが他の半導体材料に比べ、化学的に安定な材料だからである。乾式エッチングを用いると、ざらつきある（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）表面波可能であるが、フォトリソグラフィなどの特殊処理を必要とし、ＧａＮ上に細かい擬円錐表面を作ることは不可能である。
【００１３】
フォトエンハンスト化学（ｐｈｏｔｏ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ）（ＰＥＣ）エッチングは、ガリウム面（Ｇａ面）ＧａＮに用いられ、小さなピットが表面に形成される。このことは、ＰＥＣエッチングが窒素面（Ｎ面）ＧａＮに使われた場合、はっきりとした擬円錐の形態が得られるのと、対照的である。ＬＬＯ技術を用いて製造したＧａＮベースのＬＥＤについては、小数の報告がなされているが、本発明は異方性エッチング方法を用いて、ＧａＮベースのＬＥＤのＮ−面ＧａＮ表面上に擬円錐構造を製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第３，７３９，２１７号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｒｅｅ．ｃｏｍ／Ｎｅｗｓ／ｎｅｗｓ１７５．ａｓｐ＞
【非特許文献２】Ｙ．Ｋａｗａｋａｍｉ、Ｙ．Ｎａｒｕｋａｗａ、Ｋ．Ｏｍａｅ，Ｓ．Ｆｕｊｉｔａ、および、Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ）１７８、３３１（２０００）
【非特許文献３】Ｔ．Ｎｉｓｈｉｄａ，Ｈ．Ｓａｉｔｏ、および、Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９、７１１（２００１）
【非特許文献４】Ａ．Ｂｉｌｌｅｂ、Ｗ．Ｇｒｉｅｓｈａｂｅｒ、Ｄ．Ｓｔｏｃｋｅｒ、Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、Ｒ．Ｆ．Ｋａｒｌｉｃｅｋ，Ｊｒ．、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０，２７９０（１９９７）
【非特許文献５】Ｃｈｕｌ  Ｈｕｈら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９３、９３８３（２００３）
【非特許文献６】Ｘ．Ａ．Ｃａｏ、Ｓ．Ｊ．Ｐｅａｒｔｏｎ、Ａ．Ｐ．Ｚｈａｎｇ、Ｇ．Ｔ．Ｄａｎｇ、Ｆ．Ｒｅｎ，Ｒ．Ｊ．Ｓｈｕｌ、Ｌ．Ｚｈａｎｇ、Ｒ．Ｈｉｃｋｍａｎ、および、Ｊ．Ｍ．Ｖａｎ  Ｈｏｖｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７５、２５６９（１９９９）
【非特許文献７】Ｙ．Ｏｈｂａ、および、Ａ．Ｈａｔａｎｏ、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ．Ｇｒｏｗｔｈ  １４５、２１４（１９９４）
【非特許文献８】Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ、Ｔ．Ｓａｎｄｓ、Ｎ．Ｗ．Ｃｈｅｕｎｇ、Ｍ．Ｋｎｅｉｓｓｌ、Ｄ．Ｐ．Ｂｏｕｒ、Ｐ．Ｍｅｉ、Ｌ．Ｔ．Ｒｏｍａｎｏ、および、Ｎ．Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２、１９９９（１９９８）
【非特許文献９】Ｐ．Ｒ．Ｔａｖｅｒｎｉｅｒ、および、Ｄ．Ｒ．Ｃｌａｒｋｅ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８９、１５２７（２００１）
【非特許文献１０】Ｃ．Ｆ．Ｃｈｕ、Ｃ．Ｃ．Ｙｕ，Ｈ．Ｃ．Ｃｈｅｎｇ、Ｃ．Ｆ．Ｌｉｎ、および、Ｓ．Ｃ．Ｗａｎｇ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４２、Ｌ１４７（２００３）
【非特許文献１１】Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ、Ｔ．Ｓａｎｄｓ、Ｎ．Ｗ．Ｃｈｅｕｎｇ、Ｍ．Ｋｎｅｉｓｓｌ、Ｄ．Ｐ．Ｂｏｕｒ、Ｐ．Ｍｅｉ、Ｌ．Ｔ．Ｒｏｍａｎｏ、Ｎ．Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ＩｎＧａＮ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅｓ  ｂｙ  ｌａｓｅｒ  ｌｉｆｔ  ｏｆｆ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７５（１０）１３６０（１９９９）
【非特許文献１２】Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ、Ｔ．Ｓａｎｄｓ、Ｎ．Ｗ．Ｃｈｅｕｎｇ、Ｍ．Ｋｎｅｉｓｓｌ、Ｄ．Ｐ．Ｂｏｕｒ、Ｐ．Ｍｅｉ、Ｌ．Ｔ．Ｒｏｍａｎｏ、Ｎ．Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、「ＩｎＸＧａ１−ＸＮ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｉ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｂｙ  Ｐｄ−Ｉｎ  ｍｅｔａｌ  ｂｏｎｄｉｎｇ  ａｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｌｉｆｔ−ｏｆｆ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７７（１８）２８２２（２０００）
【非特許文献１３】Ｊ．Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ、Ｄ．Ａ．Ｓｔｅｉｇｅｒｗａｌｄ、Ｍ．Ｒ．Ｋｒａｍｅｓ、Ｊ．Ｊ．Ｏ’Ｓｈｅａ、Ｍ．Ｊ．Ｌｕｄｏｗｉｓｅ、Ｎ．Ｆ．Ｇａｒｄｎｅｒ、Ｒ．Ｓ．Ｋｅｒｎ、および、Ｓ．Ａ．Ｓｔｏｃｋｍａｎ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３３７９（２００１）
【非特許文献１４】Ｍ．Ｓ．Ｍｉｎｓｋｙ、Ｍ．Ｗｈｉｔｅ、および、Ｅ．Ｌ．Ｈｕ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８、１５３１（１９９６）
【非特許文献１５】Ｃ．Ｙｏｕｔｓｅｙ、Ｌ．Ｔ．Ｒｏｍａｎｏ、および、Ｉ．Ａｄｅｓｉｄａ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３、７９７（１９９８）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）について述べる。ここで、光はＬＥＤの窒素面（Ｎ面）を介して取り出され、Ｎ面の表面は１つ以上の六角形状錐体に粗くされる。表面を粗くすると、ＬＥＤ内で繰り返し起こる光反射が減少するため、ＬＥＤからより多くの光を取り出せる。
Ｎ面の表面は、異方性エッチングにより粗くされる。異方性エッチングは、ドライエッチング、または、フォトエンハンスト化学（ＰＥＣ）エッチングを含み得る。
【００１７】
一つの実施形態において、Ｎ面ＧａＮは、レーザリフトオフ（ＬＯＯ）技術で準備される。他の実施形態において、ＬＥＤはｃ平面ＧａＮウェハー上に成長され、ｐ型層の表面は、ガリウム面（Ｇａ面）であり、ｎ型層の表面は窒素面（Ｎ面）である。
図面について述べると、同じ参照番号は、全体を通じて、対応するものを示す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、従来型ＬＥＤ構造の模式的な断面図である。
【図２】図２は、フリップチップ型ＬＥＤ構造の模式的な断面図である。
【図３】図３は、表面を粗くしたＬＥＤの模式図である。
【図４】図４は、本発明の好ましい実施形態で用いられる処理ステップを示す流れ図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｆ）は、表面を粗くしたＬＥＤの製造ステップをさらに示す。
【図６】図６（ａ）は、電流ブロック層を有するＬＥＤを示し、図６（ｂ）は、電流閉じ込め枠を有するＬＥＤを示す。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は、十字型ｎ電極を有するＬＬＯ−ＬＥＤの平面顕微鏡写真である。
【図８】図８（ａ）および図８（ｂ）は、ＰＥＣエッチング後のＧａＮのＮ面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像で、エッチング時間が異なるものである。
【図９】図９（ａ）は、表面が平坦なＬＥＤからのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルを、図９（ｂ）は、表面を粗くしたＬＥＤからのＥＬスペクトルを示す。
【図１０】図１０は、室温でのＬＥＤの上向きＥＬ出力  対  ＤＣ注入電流（Ｌ−Ｉ）特性で、エッチング時間が異なるものである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
好ましい実施形態の以下の説明において、実施形態の一部として、添付図面が参照される。この中で、本発明が実行され得る特定の実施形態が例示として示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態も用いられ得ること、および、構造上の変化もなされ得ることは、理解されるべきである。
概要
本発明は、ＧａＮベースのＬＥＤの表面を粗くすることによって、光取り出し効率を向上させる手段を提供する。特に、Ｎ面ｃ平面ＧａＮ表面に異方性ＰＥＣエッチング方法を適用し、その結果、円錐形状の表面形態を製造する。このように表面を粗くすると、光の反射がＬＥＤ内で繰り返し起こり、こうしてＬＥＤから、より多くの光を取り出すことができる。さらに、本発明の方法は、シンプルで、繰り返し可能であり、材料に損傷を与えない。これは、表面を粗くする他の方法においては、材料の品質と妥協し得るのとは対照的である。これら全てのことから、本発明はＬＥＤ製造をより適切なものとする。
ＬＥＤ構造
図３は、表面を粗くしたＬＥＤの模式図である。このＬＥＤは、ｎ型電極４０、ｎ型層４２、活性領域４４、ｐ型層４６、および、ｐ型電極４８を含む。ｐ型電極４８は、ｎ型電極５４を含むシリコン（Ｓｉ）サブマウント５２に、ハンダ層５０を介して、フリップチップボンディングされている。ｎ型層４２、活性領域４４、および、ｐ型層４６は、（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ合金から成る。ドライエッチングまたはＰＥＣエッチング方法が、ｎ型層４２の表面を粗くするために用いられる。望ましい表面を得るためには、ドライエッチングではプラズマ化学やプラズマパワーなどの条件を、また、ＰＥＣエッチングでは電解質やランプパワーなどの条件を適切に設定することが必要である。このＧａＮベースのＬＥＤは、ｃ軸に沿って成長されるべきで、このｎ型ＧａＮ表面はＮ面であるべきことは重要である。なぜなら、異方性エッチングは、Ｇａ面ＧａＮよりもＮ面ＧａＮで、より容易に観察され得るからである。
【００２０】
ｃ平面ＧａＮは、この平面がＧａ原子のみを含む構造であって、Ｎ原子のみを含む平面は、交互に積み重ねられるか、積み上げられることに、注意すべきである。一方の表面がＧａ面であれば、他方の表面はＮ面である。結晶成長とデバイス性能の観点から、Ｇａ面ｃ平面ＧａＮが一般的には好ましいため、Ｎ面ＧａＮはＬＬＯ技術によって準備される必要があるか、あるいは、ＬＥＤ構造がｃ平面バルクのＧａＮウェハーに成長され得る。
【００２１】
表面を粗くしたｎ型ＧａＮ表面４２へ向かって活性領域４４から発生する光は、表面によって散乱される。これは、活性領域に光を戻すような反射にはならない。ｐ型電極４８は反射率が高い特性を有することが望ましい。それは、光吸収を減らし、ｎ型ＧａＮ表面４２に向けての光反射を増やすためである。実験結果から、本発明によって、表面を粗くしたＬＥＤの上向きの光出力は、平坦な表面のＬＥＤに比べ、２倍から３倍増加することが分かった。
処理ステップ
図４は、本発明の好ましい実施形態で用いられる処理ステップを示す流れ図である。
【００２２】
ブロック５６は、ＭＯＣＶＤによって、ｃ平面サファイア基板上にＧａ面エピタキシャル層を成長させ、サンプルを作成するステップを示す。
ブロック５８は、ＭＯＣＶＤ後、ｐ型活性化のために、サンプルをアニールするステップを示す。
ブロック６０は、高い反射率のｐ−ＧａＮコンタクトを作成するために、サンプル上にｐ型メタル化処理を実行するステップを示す。メタル化は、銀（Ａｇ）またはアルミ（Ａｌ）を含むが、これらには限定されない。
【００２３】
ブロック６２は、サンプル上に厚い金（Ａｕ）層を堆積し、次いで、熱エバポレータの中で、スズ（Ｓｎ）蒸着によるハンダ金属として、スズ（Ｓｎ）層を堆積するステップを示す。
ブロック６４は、サンプルを上下逆にし、それをＡｕでコーティングしたＳｉ基板／サブマウントに、２８０℃を超える温度で、ボンディングするステップを示す。ここで、Ａｕ／Ｓｎ合金が形成され、この合金がＳｉ基板へのサンプル接着に寄与する。
【００２４】
ブロック６６は、サンプルの透明サファイア基板を、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザ光（２４８ｎｍ）を用い、そのサファイア基板の裏側を介して照射して、ＬＬＯプロセスを実行するステップを示す。その結果、ＧａＮ／サファイア基板界面で、局所的にＧａＮが分解する。特に、サンプル上にＫｒＦエキシマレーザスポットをラスタして、ＧａＮベースのＬＥＤ膜は、Ｓｉ基板／サブマウントに移される。
【００２５】
ブロック６８は、サンプル上にＫｒＦレーザをラスタした後に、サンプルからサファイア基板のボンディングを外すステップを示す。
ブロック７０は、塩酸（ＨＣｌ）溶液を用いて、サンプルのＧａＮが剥がされた表面に、残されたＧａ小滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を除去するステップを示す。
ブロック７２は、ＳｉドープしたＮ面ＧａＮがサンプルに露出されるまで、移されたＧａＮを薄くするステップを示す。
【００２６】
ブロック７４は、サンプルの露出したＮ面ＧａＮ上にｎ型コンタクトまたはｎ型電極として、チタン／アルミ／チタン／金（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ）電極を堆積するステップを示す。
ブロック７６は、サンプルを水酸化カリウム（ＫＯＨ）の電解質溶液に浸し、キセノン／水銀（Ｘｅ／Ｈｇ）ランプを用いてＮ面ＧａＮ表面を照射することで、ＰＥＣエッチングを行うステップを示す。このようにして、上部表面は粗くされる。ＰＥＣエッチングの詳細は、非特許文献１４に詳細に記載されている。
【００２７】
ブロック７８は、ドライエッチング、ダイシング、劈開の方法を用いて、サンプルのＳｉ基板上の各デバイスを分離するステップを示す。
図５（ａ）〜（ｆ）は、表面を粗くしたＬＥＤの製造ステップをさらに示す。ここで、ＬＥＤ構造は、ｐ型電極８０、ＧａＮベースのＬＥＤ膜８２、サファイア基板８４、ハンダ金属８６、サブマウント（キャリア）８８、および、ｎ型電極９０を含む。特定的には、図５（ａ）は、ｐ型電極８０の堆積後の結果を示す。図５（ｂ）は、ＬＥＤがホストサブマウント８８条にボンディングされた後の結果を示す。図５（ｃ）は、サファイア基板８４がＬＬＯで除去された後の結果を示す。図５（ｄ）は、ｎ型電極９０が堆積後の結果を示す。図５（ｅ）は、ＧａＮ表面８２を粗くした後の結果を示す。図５（ｆ）は、デバイスをアイソレーションさせた後の結果を示す。
可能な変更
基本的な構造は上述したが、数多くの変更やバリエーションも可能である。
【００２８】
図６（ａ）は、電流ブロック層を有するＬＥＤを示し、図６（ａ）は、電流閉じ込め枠を有するＬＥＤを示す。ここで、ＬＥＤはｎ型電極９２、ｎ型層９４、活性層９６、ｐ型層９８、ｐ型電極１００、電流ブロック層１０２、および、電流閉じ込め枠１０４を含む。
図６（ａ）において、ＬＥＤはｎ型電極９２の下に位置合わせした電流ブロック層１０２を有する。この電流ブロック層１０２は、電流がｎ型電極９２の下に集中しないようにする。これは、電極９２下での光放射の吸収を避け得、光取り出し効率を増やし得るためである。ＳｉＯ2 のような絶縁体がｐ型ＧａＮ層９８上に置かれるのは、適切である。なぜなら、ｐ型ＧａＮ層９８は抵抗があるため、電流波及がほとんど起こらないからである。
【００２９】
図６（ｂ）において、ＬＥＤは絶縁体から作られた電流閉じ込め枠１０４を有する。デバイス分離に、ドライエッチングまたはダイシング方法が使われた場合、表面が損傷すれば、デバイスの側壁を伝わってリーク電流が流れ得る。このようなリーク電流は、ＬＥＤの効率と寿命の双方を悪化させる。電流閉じ込め枠１０４は、ＬＥＤの側壁からのリーク電流の抑制に寄与し、その枠の幅が適切に選ばれれば、発光面積を著しく減らすこともない。
【００３０】
ＬＬＯプロセスにおけるホストマウントとしては、Ｓｉ基板が上述されてきたが、代替の基板材料も、本発明の実施に使われ得る。Ｓｉは、サファイアよりも安価で、高い熱伝導性を有する。しかし、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＡｌＮなどの他の基板、あるいは、ＣｕＷなどの様々な金属も、熱伝導性の観点から利用に適し得る。
現在のところ、ＧａＮデバイスは、ＳｉＣやＳｉ基板に直接成長させることができる。ＧａＮベースのＬＥＤが、ＳｉＣまたはＳｉに成長されるなら、従来のドライエッチングまたはウェットエッチングで基板を除去し得る。バルクのＧａＮ基板を使うと、ＬＬＯプロセスは省略され得る。
【００３１】
サンプルサイズも、ＬＥＤ製造で重要なポイントである。今日では、大きなサイズのＬＥＤも、高出力ＬＥＤの要望を満たすために、注目を集めている。ｎ型ＧａＮの抵抗率は、ｐ型ＧａＮの抵抗率よりも低いとはいえ、電流波及の上で、ｎ型電極の幾何学的条件に影響をサイズが及ぼす。
実験結果
発明者によってなされた実験において、Ｇａ面エピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤにより、ｃ平面サファイア基板上に成長させた。構造は、４μｍ厚のアンドープおよびＳｉドープのＧａＮ層、５ピリオドのＧａＮ／ＩｎＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）、２０ｎｍ厚のＭｇドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、および、０．３μｍ厚のＭｇドープＧａＮであった。ＭＯＣＶＤ後、サンプルをｐ型活性化のためにアニールし、ついで、ｐ型メタル化処理を実行した。Ａｇベースの電極を、高反射率のｐ型ＧａＮコンタクトとして採用した。厚いＡｕをサンプル上に堆積し、次いで、熱エバポレータ内で、Ｓｎ蒸着した。ウェハーを上下逆にし、ＡｕコーティングされたＳｉサブマウントに、２８０℃でボンディングした。その結果、ＡｕとＳｎの合金が得られ、この合金がウェハーにサブマウントがしっかりと接着するのに寄与した。ＫｒＦレーザ（２４８ｎｍ）をＬＬＯプロセスに用いた。ここで、レーザを、透明なサファイア基板を介して、照射した。その結果、ＧａＮとサファイアの境界で、ＧａＮの局所的分解が生じた。サンプル上にＫｒＦをラスタした後、サファイア基板はボンディングを外された。移されたＧａＮ表面に残留したＧａ小滴を、ＨＣｌ溶液で除去した。次いで、移されたＧａＮを、ＳｉドープのＧａＮが露出されるまで、薄くした。ｎコンタクトは、露出したＮ面ｎ型ＧａＮに形成され、各デバイスを、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、その隣接デバイスから分離した。最後に、表面の上部を粗くするため、ＰＥＣエッチングを用いた。ＫＯＨ溶液を電解質として、ＸｅＨｇランプを光源として、用いた。ＬＥＤの出力を、ＬＥＤチップの上方７ｍｍの高さにセットされたＳｉ検出器で測定した。
【００３２】
図７（ａ）と図７（ｂ）は、十字型ｎ電極を有するＬＬＯ−ＬＥＤの平面顕微鏡写真である。ここで、ＬＥＤはＳｉ基板にボンディングされている。図７（ａ）は、粗くする前の表面を示し、図７（ｂ）は、粗くした後の表面を示す。ＰＥＣエッチングの間、ｎ電極が紫外線をブロックするので、ｎ電極の下にあるＧａＮはエッチングされず、電極は粗くした後もＧａＮの上に残る。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような透明な電極も、電流波及電極として、使われ得る。
【００３３】
図８（ａ）および図８（ｂ）は、ＰＥＣエッチング後のＧａＮのＮ面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像で、エッチング時間が異なるものである。ＰＥＣエッチングされたＮ面ＧａＮ表面は、複数の六角形状錐体を含む。これは、Ｙｏｕｔｓｅｙら（非特許文献１５）によって報告されているものと全く異なる。この差は、ＧａＮの表面極性によるものと考えられる。図８（ａ）の表面を２分間エッチングしたものと、図８（ｂ）の表面を１０分間エッチングしたものを比べると、フィーチャサイズは大きくなり、六角形状錐体のファセットも明確になってくる。
【００３４】
円錐状表面は、ＬＥＤからの光の取り出しに非常に効率が良いように思われる。さらに、実験結果が示唆することは、円錐形状は、より多くの光を取り出し得る。例えば、ＧａＮ結晶の青色ＬＥＤの波長は、約２００ｎｍである。円錐形状のサイズが、その波長の値より随分小さければ、光はその粗さによる影響を受けないこともあり得る。一方、円錐形状のサイズが、その値に近ければ、光は散乱または回折され得る。
【００３５】
実験結果において、ＧａＮの場合、粗くした表面は、
２ｓｉｎ-1（ｎair／ｎs）
以下の角度を有する多数の六角形状の錐体からなることが分かった。ここで、ｎairは空気の屈折率で、ｎsはＧａＮの屈折率である。同様に、エポキシの場合、粗くした表面は、
２ｓｉｎ-1（ｎenc／ｎs）
以下の角度を有する多数の六角形状の錐体からなることが分かった。ここで、ｎencはエポキシの屈折率で、ｎsはＧａＮの屈折率である。
【００３６】
表面は、円錐状を有する必要がないことも可能であり、格子構造やフォトニック結晶も考えられるべきである。これらは、光取り出しのためには、より良い構造である。しかしながら、フォトニック結晶の製造には、精密な設計と処理が必要で、円錐状の表面粗さを製造するよりも、コスト高である。
ＰＥＣエッチング前に表面が「鏡面状」であれば、エッチング時間が長くなるにつれ、退色する。反射率の高い金属が、ＧａＮ膜の他の面に堆積されると、表面は白色が現れるか、さもなければ、より暗くなる。これは、空気／ＧａＮ境界で拘束された光反射によるものであると、考えられる。ＧａＮの裏側に反射率の高い金属があれば、光りはＧａＮの中を通過し、再び外に出て、粗くなった表面で散乱する。
【００３７】
表面が平坦なＬＥＤからのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルと、表面を粗くしたＬＥＤからのＥＬスペクトルとを、それぞれ図９（ａ）と図９（ｂ）に示す。測定は、順方向のＤＣ電流密度２５Ａ／ｃｍ2、室温（ＲＴ）で行った。平坦な表面のＬＥＤのスペクトルは、図９（ａ）に示されるように、複数のピーク発光を有した。これは、活性領域からの発生した光が、ＧａＮ／金属とＧａＮ／空気とで形成された鏡の間に挟まれた縦方向のＧａＮ空洞と干渉されたことを示唆している。これとは対照的に、図９（ｂ）に示されるように、表面を粗くしたＬＥＤにおいては、縦モードは観察されなかった。これは、粗くされたＧａＮ／空気界面は光を散乱するので、その結果、共振を抑制することを意味する。
【００３８】
図１０は、室温でのＬＥＤの上向きＥＬ出力  対  ＤＣ注入電流（Ｌ−Ｉ）特性のグラフで、エッチング時間が異なるものである。これらのデータは、ＰＥＣエッチングの前後で、同じデバイスから得られたことから、表面形状以外から生じる要因は一切排除され得る。いずれのＬ−Ｉ曲線も５０ｍＡまではリニアな特性を示した。Ｓｉの熱伝導性はサファイアの熱伝導性に比べ比較的高いので、これらのデバイスは、高出力での動作には有利である。どの電流値においても、出力はＰＥＣエッチング時間の増加とともに増加した。平坦な表面のＬＥＤと１０分間エッチングした表面のＬＥＤを比較すると、この粗面化処理の結果、出力は２．３のファクターで増加した。別のデバイスでの他の測定からも、粗面化処理を行なった場合、出力は２〜３倍の増加を示した。平坦な表面のＬＥＤは表面を粗くしたＬＥＤより、ＬＥＤチップの側壁から、より多くの光を発生する傾向がある。これは、光の長手方向への伝播によるものである。出力の差は、出力の全てを積分球で測定すれば、より小さくなる。それにも関わらず、異方性エッチングによる光取り出し効率の強化は、著しい改善が見られる。
【００３９】
結論として、異方性エッチング方法が、光取り出し効率を増加させる目的で、ＧａＮベースのＬＥＤに適用されてきた。ＬＥＤ出力テストの結果は、おそらくはＧａＮ膜での光伝播の減少によって、粗くした外観と光取り出し効率との間には、相関があるということを示した。全体の総合的な光学的出力は測定しなかったが、光取り出し効率の最大の増加は、１００％を超えるものであった。本明細書に記載された技術はシンプルで、複雑な処理を要しないことは、注目に値する。これは、表面を粗くしたＧａＮベースのＬＥＤ製造に適した技術である。
結論
これは、本発明の好ましい実施形態の記述を結論付けるものである。以下は、本発明を実行する幾つかの代替的な実施形態を述べる。
【００４０】
ＭＯＣＶＤ以外にも多数の異なる結晶成長方法が、本発明には用いられ得る。
さらに、サファイアまたは炭化ケイ素以外の基板も用いられ得る。
また、異なるＬＥＤ構造も作成され得る。例えば、共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）または微小空洞ＬＥＤ（ＭＣＬＥＤ）も同様に作成され得る。
本発明の１つ以上の実施形態に関する以上の記述は、例示と説明の目的のために紹介してきた。網羅的に記載することも、本発明をここに開示した細かい形式に限定することも意図していない。上述の教示を考慮すると、多数の変更やバリエーションも可能である。本発明の範囲は、詳細な説明に限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲によって限定されることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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