(57)【要約】ＬＥＤデバイス上にｎ型窒化ガリウム(ｎ型ＧａＮ)層を形成する工程と、前記ｎ型ＧａＮ層の表面を粗くして前記ＬＥＤデバイスの内部からの光の抽出を高める工程と、によって半導体発光ダイオード(ＬＥＤ)デバイスを製造するためのシステム及び方法が開示される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体縦型発光ダイオード(ＶＬＥＤ)デバイスの製造方法であって、
ｎ型窒化ガリウム(ｎ型ＧａＮ)層、活性層及びｐ型窒化ガリウム(ｐ型ＧａＮ)層を含むＶＬＥＤデバイスの多層エピタキシャル構造を形成する工程と、
水溶液中で前記ＶＬＥＤデバイスの前記ｎ型ＧａＮ層の表面を粗くする工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記ｎ型ＧａＮ層は、ウェットエッチング処理によって粗くされることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記ＬＥＤを酸化する工程と、エッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記酸化する工程及び前記エッチングする工程は、水溶液を含むシステムにおいて実行されることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記水溶液は、酸化剤と、酸性溶液又はアルカリ溶液のいずれかと、の組み合わせでありうることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記酸化剤は、Ｈ２Ｏ２及びＫ２Ｓ２Ｏ８のうちの１つ又は組み合わせを含むことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記酸性溶液は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈ３ＰＯ４、ＨＮＯ３及びＣＨ３ＣＯＯＨのうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項８】
前記アルカリ溶液は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＮＨ４ＯＨのうちの１つ又は組み合わせを含むことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項９】
可視スペクトルと紫外線スペクトルとの間の範囲の波長を持つＨｇ又はＸｅアークランプシステムを用いて、前記ＬＥＤを照明する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記照明は、２００ｍＷ/ｃｍ２未満の強度で前記ｎ型ＧａＮの上に露出されることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記導電性基板に電気的なバイアスを加え、その電圧は-５Ｖと＋５Ｖとの間で制御されることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記ｎ型ＧａＮ表面の粗さを最適化するために、酸化優位の反応、エッチング優位の反応、又はその両方の反応を制御する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記水溶液、前記電気的なバイアス、及び前記照明の強度の構成を変化させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】
導電性基板を有するｎ型側が上方にあるＬＥＤウェハの露出したｎ型ＧａＮを粗くする方法であって、
キャリア基板の上方にｎ型ＧａＮ部を成膜する工程と、
前記ｎ型ＧａＮ部の上方に活性層を成膜する工程と、
前記活性層の上方にｐ型ＧａＮ部を成膜する工程と、
１つ以上の金属層を成膜する工程と、
マスク層を適用する工程と、
前記金属、ｐ型ＧａＮ層、活性層及びｎ型ＧａＮ層をエッチングする工程と、
前記マスク層を除去する工程と、
パッシベーション層を成膜する工程と、
前記ｐ型ＧａＮの上部の前記パッシベーション層の一部を除去して前記金属を露出する工程と、
１つ以上の金属層を成膜する工程と、
金属基板を成膜する工程と、
前記キャリア基板を除去して前記ｎ型ＧａＮ表面を露出する工程と、
前記ｎ型ＧａＮ表面を粗くする工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１５】
前記ｎ型ＧａＮが上方にあるＬＥＤウェハは、前記粗くする処理の前に、実質的に滑らかで平らであることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記ｎ型ＧａＮが上方にあるＬＥＤウェハは、前記ｎ型ＧａＮ層が粗くされる前に５０００オングストローム未満の表面粗さを有することを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記キャリア基板は、サファイアであることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記金属基板は、電解メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、化学気相成長、電子ビーム蒸着、熱溶射のうちの１つを用いて成膜されることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記金属基板は、金属又は銅、ニッケル、アルミニウム、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうちの１つを含む金属合金であることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記キャリア基板は、レーザリフトオフ(ＬＬＯ)、ウェットエッチング及び化学機械研磨のうちの１つを用いて除去されることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項２１】
前記ｎ型ＧａＮを粗くする工程は、水溶液中のウェットエッチングを含むことを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項２２】
前記水溶液は、希釈剤と、酸性溶液又はアルカリ溶液のいずれかと、の組み合わせでありうることを特徴とする請求項２１に記載の製造方法。
【請求項２３】
前記希釈剤は、Ｈ２Ｏを含むことを特徴とする請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２４】
前記酸性溶液は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈ３ＰＯ４、ＨＮＯ３及びＣＨ３ＣＯＯＨのうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２５】
前記アルカリ溶液は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＮＨ４ＯＨのうちの１つ又は組み合わせを含むことを特徴とする請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２６】
前記水溶液は、２５℃よりも高い温度まで加熱されることを特徴とする請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２７】
導電性基板を有するｎ型側が上方にあるＬＥＤウェハの露出したｎ型ＧａＮを粗くする方法であって、
キャリア基板の上方にｎ型ＧａＮ部を成膜する工程と、
前記ｎ型ＧａＮ部の上方に活性層を成膜する工程と、
前記活性層の上方にｐ型ＧａＮ部を成膜する工程と、
１つ以上の金属層を成膜する工程と、
マスク層を適用する工程と、
前記金属、ｐ型ＧａＮ層、活性層及びｎ型ＧａＮ層をエッチングする工程と、
前記マスク層を除去する工程と、
パッシベーション層を成膜する工程と、
前記ｐ型ＧａＮの上部の前記パッシベーション層の一部を除去して前記金属を露出する工程と、
１つ以上の金属層を成膜する工程と、
金属基板を成膜する工程と、
前記キャリア基板を除去して前記ｎ型ＧａＮ表面を露出する工程と、
前記ｎ型ＧａＮ表面の上に１つ以上の金属層を形成する工程と、
前記ｎ型ＧａＮ表面を粗くする工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２８】
前記水溶液は、希釈剤と、酸性溶液又はアルカリ溶液のいずれかと、の組み合わせでありうることを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【請求項２９】
前記希釈剤は、Ｈ２Ｏを含むことを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３０】
前記酸性溶液は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈ３ＰＯ４、ＨＮＯ３及びＣＨ３ＣＯＯＨのうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３１】
前記アルカリ溶液は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＮＨ４ＯＨのうちの１つ又は組み合わせを含むことを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３２】
前記金属基板は、電解メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、化学気相成長、電子ビーム蒸着、熱溶射のうちの１つを用いて成膜されることを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３３】
前記金属基板は、金属又は銅、ニッケル、アルミニウム、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうちの１つを含む金属合金であることを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３４】
前記キャリア基板は、レーザリフトオフ(ＬＬＯ)、ウェットエッチング及び化学機械研磨のうちの１つを用いて除去されることを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３５】
前記ｎ型ＧａＮ表面の上の１つ以上の金属層は、ニッケル、クロム、金、Ｔｉ、Ｔａ、銅、錫、亜鉛及びアルミニウムのうちの１つを含むことを特徴とする請求項２７に記載の製造方法。
【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し、特に、その光の抽出を向上させるための新しいＬＥＤ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード(ＬＥＤ)は、電気エネルギーを光に変換する重要な種類の固体デバイスである。ＬＥＤは、典型的には、２つの反対にドープされた層の間に挟まれた半導体材料の活性層を提供する。バイアスがドープ層に印可されると、正孔と電子が光を発生するために再結合する場所である活性層に注入される。活性領域によって全ての方向に発生される光は、全ての露出した表面を通って、半導体チップから出て行く。
【０００３】
半導体材料の性能が良くなり、半導体素子の効率も向上してきている。新しいＬＥＤは、紫外線の形で黄色のスペクトルで効率的なイルミネーションを可能にするＩｎＡｌＧａＮなどの材料から作られている。従来のライトと比べて、新しいＬＥＤの多くが、電気エネルギーをより効率的に変換し、信頼性が高い場合がある。ＬＥＤの性能が向上するにつれて、それらは交通信号、屋内のディスプレイ、自動車ヘッドライト及びテールランプなどの多くのアプリケーションで、従来のライトを取り替えることが期待される。
【０００４】
従来のＬＥＤの効率は、それらの活性層によって発生される全ての光を放つことができないことによって制限される。ＬＥＤにエネルギーが与えられると、その活性層(全ての方向で)から放たれる光は、多くの異なる角度で放出面に到達する。典型的な半導体材料は、周囲の空気(ｎ＝１.０)又は封入エポキシ(ｎは約１.５)と比較して、高い屈折率(ｎは約２.２-３.８)を持つ。スネルの法則によると、高屈折率の領域から、ある臨界角(表面法線方向に対して)の範囲内にある低屈折率の領域に伝わる光は、低い領域側に横断する。臨界角を超えて表面に達する光は、横断しないが、全反射(ＴＩＲ)となるであろう。ＬＥＤの場合では、ＴＩＲ光は、それが吸収されるまではＬＥＤ内部で反射され続けることができる。この現象のため、従来のＬＥＤによって発生される光の多くは放出されず、その効率を下げている。
【０００５】
ＴＩＲ光の割合を低下させる１つの方法は、ＬＥＤの表面でランダムなテクスチャ（ｒａｎｄｏｍ  ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）の形で光の散乱中心を作り出すことである。ランダムのテクスチャは、反応性イオンエッチングの間に、マスクとしてＬＥＤ表面にサブミクロンポリスチレン球を用いることによって、表面内にパターニングされる。テクスチャ表面は、ランダムの干渉効果によるスネルの法則では予測されない方法で、光を屈折させ、反射させる光の波長の大きさのフィーチャー（ｆｅａｔｕｒｅｓ）を持つ。この手法は、放出効率を９〜３０％向上させるために示された。
【０００６】
米国特許第６,８２１,８０４号に示されているように、表面テクスチャの１つの欠点は、ｐ型ＧａＮなどのテクスチャ電極層に対して低い導電率を持つＬＥＤに広がる有効電流を防ぐことができることである。より小さいデバイス又は良い導電率があるデバイスでは、ｐ型層コンタクト及びｎ型層コンタクトからの電流は、それぞれの層の全体に広がるだろう。より大きいデバイス又は低い導電率を持つ材料から作られたデバイスを用いると、電流は層全体にコンタクトから広がらない。その結果、活性層の一部は、電流を流さず、光を放たないであろう。ダイオード領域全体に均一な電流の注入を行うために、導電性材料の拡張層が表面上に成膜されうる。しかしながら、この拡張層は、光が層を通って伝わることができるように、光学的に透明である必要がある場合がある。ランダムな表面構造はＬＥＤ表面に導入されると、有効に薄く、光学的に透明な電流の拡張部（ｓｐｒｅａｄｅｒ）を成膜することは容易ではない。
【０００７】
ＬＥＤから光の抽出を増加させる別の方法は、発光表面の周期的なパターニングを含むか、又は光の方向を内部的にトラップされた角度から表面の形状または周期によって決定される所定のモードに変える内部インターフェースを含む。Ｋｒａｍｅｓ  ｅｔ  ａｌ.の米国特許第５,７７９,９２４号を参照されたい。この技術は、干渉効果がもはやランダムではなく、表面が光を特定のモード又は方向に結合するランダムなテクスチャ表面の特別な場合である。この手法の１つの欠点は、表面形状とパターンが、ＬＥＤ光の単一の波長の大きさで一定かつ非常に小さくなければならないため、構造の製造が難しいという点である。また、このパターンは、上述の光学的に透明な電流拡張層（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）を成膜することが困難でもある。
【０００８】
また、発光型層が中央にある状態でＬＥＤの発光表面を半球に形成することによって、光の抽出の増加が実現されている。この構造は、放出光の量を増加させるが、その製造は困難である。Ｓｃｉｆｒｅｓ及びＢｕｒｎｈａｍの米国特許第３,９５４,５３４号は、各ＬＥＤの上方にそれぞれの半球がある状態でＬＥＤアレイを形成する方法を開示している。半球は基板に形成され、ダイオードアレイはその上に成長される。ダイオード及びレンズ構造は、基板からエッチングされる。この方法の１つの欠点は、基板インターフェースでの構造の製造と、基板からの構造のリフトオフにより製造コストが増加することとにより、制限されることである。また、各半球は、正確な製造を必要とする発光層をその上に直接有する。
【０００９】
米国特許第５,４３１,７６６号は、水と酸素がないときのシリコン(Ｓｉ)の光電気化学的な酸化と溶解について開示している。無水ＨＦアセトニトリル(ＭｅＣＮ)溶液におけるエッチング速度と光電流は、少なくとも６００ｍＷ/ｃｍ２までの光強度に正比例し、４ｍｉｃｒｏｎｓ/ｍｉｎを超える選択性エッチング速度を空間的に生み出している。１シリコン分子あたり４回の電子移動反応が、高エネルギー反応中間体（ｈｉｇｈ  ｅｎｅｒｇｙ  ｒｅａｃｔｉｏｎｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｓ）からの電子注入によって３.３よりも大きな以上の量子収量（ｑｕａｎｔｕｍ  ｙｉｅｌｄ）で起こる。
【００１０】
米国特許第５,７９３,０６２号は、コンタクトなどの吸収領域から光の方向を変え、ＬＥＤ表面に光の方向を向ける光学的な非吸収層を含むことによって、ＬＥＤからの光の抽出を高めるための構造を開示している。この構造の１つの欠点は、非吸収層が切り込まれた狭い角度の層の形成が必要であり、多数の材料系で製造することが困難であるということである。
【００１１】
米国特許第６,７４４,０７１号は、端部が互いに対向する相対した端部構成を有する窒化物半導体要素を開示している。窒化物半導体要素は、支持基板上に、順次、導電層、第１の端部、光放出層を有する窒化物半導体及び第２の端部を含む。第１の端部及び第１の絶縁保護層は、導電層と窒化物半導体の第１の導電型の窒化物半導体層との間に挿入されている。
【００１２】
米国特許第６,８２１,８０４号は、その効率を増加させるためにＬＥＤの上又は中に光の抽出構造を有するＬＥＤを開示している。新しい光の抽出構造は、光を反射して屈折させるための表面を提供し、光がパッケージに出て行くためにより好適である。この構造は、光の抽出要素（ｌｉｇｈｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）又は分散剤層のアレイであってもよい。光の抽出要素は、多くの異なる形状を持つことができ、従来のＬＥＤの上方のＬＥＤの効率を高めるように、多くの場所に配置される。分散剤層は、光の分散中心を提供し、同様に多くの場所に配置される。
【００１３】
米国特許第６,８２１,８０４号で更に述べられている光の抽出を高める他の方法は、放出されたモードに戻って発せられるＬＥＤ放出面の上の薄膜金属層内でフォトンを表面プラズモンモードに結合することである。これらの構造は、最終的には抽出されるフォトンに更に結合される半導体から発せられるフォトンを金属層の表面プラズモンに結合することによるものである。このデバイスの１つの結合は、周期構造が浅い溝深さ(＜０.１.ｍｕ.ｍ)を持つ１次元で定められた格子であるため、製造が難しいということである。また、恐らく、フォトンから表面プラズモンへの及び表面プラズモンから周囲のフォトンへの変換メカニズムが非効率であることにより、外部量子効率全体が低い（１.４-１.５％）。この構造はまた、上述のように電流拡張層と同じ問題がある。ＬＥＤチップの側面を傾けて逆さの角錐台を形成することによって、光の抽出が改善されうる。傾けられた表面は、発光表面を持つ基板材料の中でトラップされたＴＩＲ光を与える。この手法を用いて、外部量子効率は、ＩｎＧａＡｌＰ材料系に対して３５％から５０％ほど増加することが示された。この手法は、かなりの量の光が基板でトラップされるデバイスに対して効果がある。サファイア基板上に成長されるＧａＮデバイスに対しては、光の大部分がＧａＮでトラップされ、ＬＥＤチップの側面を傾けても所望の向上が得られない。また、光を抽出するための別の手法は、フォトンの再利用である。この方法は、電子や正孔を光に（その逆も同様）直ちに変換する高効率の活性層を有するＬＥＤによるものである。電子−正孔対に再び変換される場所でＴＩＲ光がＬＥＤの表面で反射して、活性層に衝突する。高効率の活性層のために、電子−正孔対はほぼ直ちに、ランダムな方向で再び放たれる光に再度返還されるであろう。再利用された光の一部（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）は、臨界角の範囲内でＬＥＤ発光表面の１つと衝突して、出て行くであろう。活性層に再び反射される光は、再び同じ処理を経ることになる。
【特許文献１】米国特許第６,８２１,８０４号
【特許文献２】米国特許第３,９５４,５３４号
【特許文献３】米国特許第５,４３１,７６６号
【特許文献４】米国特許第５,７９３,０６２号
【特許文献５】米国特許第６,７４４,０７１号
【発明の開示】
【００１４】
ＬＥＤデバイス上にｎ型窒化ガリウム(ｎ型ＧａＮ)層を形成する工程と、前記ｎ型ＧａＮ層の表面を粗くして前記ＬＥＤデバイスの内部からの光の抽出を高める工程と、によって半導体発光ダイオード(ＬＥＤ)デバイスを製造するためのシステム及び方法が開示される。
【００１５】
上記システムの実施は、以下の１つ以上を含みうる。前記ＬＥＤウェハのｎ型ＧａＮ層は、光電気化学的な酸化及び／又はエッチング処理によって粗くされる。前記ＬＥＤウェハは、導電性基板(Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの合金)と、１つ以上のエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層と前記導電性基板（例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ及びＡｇ）との間の１つ以上のオーミックコンタクト及び反射金属層と、独立の（ｆｒｅｅ  ｓｔａｎｄｉｎｇ）ＬＥＤの側壁上のＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４又はＳｉＯＮなどの保護層と、ｎ型ＧａＮ層の上のｎ型電極群と、を含む。前記光電気化学的な酸化及びエッチング処理は、水溶液を含むシステム、照明システム及び／又は電気的にバイアスがかけられたシステムで行われうる。前記水溶液は、酸化剤と、酸性溶液又はアルカリ溶液のいずれかと、の組み合わせでありうる。前記酸化剤は、特に、Ｈ２Ｏ２及びＫ２Ｓ２Ｏ８のうちの１つ又は組み合わせを含みうる。前記酸性溶液は、Ｈ２ＳＯ４、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈ３ＰＯ４、ＨＮＯ３及びＣＨ３ＣＯＯＨのうちの１つ以上を含みうる。前記アルカリ溶液は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＮＨ４ＯＨのうちの１つ又は組み合わせを含みうる。前記照明が用いられる場合には、前記照明は、可視スペクトルと紫外線スペクトルとの間の範囲の波長を持つＨｇ又はＸｅアークランプシステムを用いて行わることができ、前記露出されたｎ型ＧａＮ表面は、２００ｍＷ/ｃｍ２未満の強度で照射される。前記電気的なバイアスが用いられる場合には、前記導電性基板に電気的なバイアスが与えられ、その電圧は-１０Ｖと＋１０Ｖとの間で制御される。前記ｎ型ＧａＮ表面の粗さを最適化するために、前記水溶液、前記電気的なバイアス、浴温（ｂａｔｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）及び／又は前記照明の強度の構成を変化させることによって、酸化優位の反応、エッチング優位の反応、又はその両方の反応が制御されうる。粗くする処理の後に、不規則な（ｎｏｎ−ｏｒｄｅｒｅｄ）テクスチャ形態があらわになる。
【００１６】
前記粗くする処理は、ウエハレベルでｎ型側が上方にある縦型ＬＥＤの露出したｎ型ＧａＮに適用されうる。ＧａＮベースのＬＥＤエピタキシャル膜がキャリアから除去された後に、ｎ型電極(Ｃｒ/又はＮｉなど)がｎ型ＧａＮ層の上に形成される。ｎ型金属パッドは、オーミック接触として機能するだけではなく、その後の粗くする処理のマスクとしても機能する。光電気化学的（ＰＥＣ）な酸化及び／又はエッチング処理によって行われる粗くする処理は、ｎ型電極の金属化（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）が後に続く。ウェハは、照明の下で水溶液中浸され、導電性基板は電気的にバイアスされる。前記水溶液は、酸化剤と、酸性溶液又はアルカリ溶液のいずれかと、の組み合わせである。ｎ型ＧａＮの粗くされた表面は、角錐（ｐｙｒａｍｉｄｓ）、円錐（ｃｏｎｅ-ｓｈａｐｅｄ）又は半球形（ｓｅｍｉ−ｒｏｕｎｄｅｄ）の形態とは異なる不規則なテクスチャ形態（ｎｏｎ−ｏｒｄｅｒｅｄ  ｔｅｘｔｕｒｅｄ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）をあらわにするであろう。前記水溶液、バイアスされた電圧、溶液温度又は照明の照明の強度の構成を変化させることによって、粗くするメカニズムは、酸化優位の反応又はエッチング優位の反応に制御されうる。表面粗さのＲＭＳ値は、０.０５ｕｍから２ミクロンまで制御される。粗くされた表面の寸法は、散乱光の約１／２λに最適に選択される。別の実施では、粗くされた表面の有効屈折率は、約２.０〜２.５である。
【００１７】
粗くされた表面の利点は、以下の１つ以上を含みうる。粗くされた表面は、内部からより多くの光を抽出するために、ＧａＮ上に有効な粗面を形成する。平坦面を持つＬＥＤと比べて、不規則なテクスチャ表面を持つＬＥＤの照度は、２倍を超えて高められうる。ＬＥＤは、より多くの光を同じチップサイズ/消費電力で供給することができる。一方、ＬＥＤは、所定の同一の光出力条件でより小さく作ることができ、そのような小さな大きさによってそれと同様に少ない電力しか消費せず、電力の節約になる。ＬＥＤは、標準的なプロセス技術で製造されることができ、これにより標準的なＬＥＤとのコスト競争力を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
説明
図１は、光電気化学的な（ＰＥＣ）酸化及びエッチング処理を実行する例示的なシステムを示す図である。電解質溶液の性質は、高速エッチング速度を保証し、光の強度に正比例したエッチング速度を保証する場合に特に重要である。ＰＥＣエッチング処理は、図１に示されるシステムで実行される。システムでは、ホルダ１０の上方に配置され、電解質溶液１６に接触した留め具１２によって固定されたＬＥＤウェハの表面に、光源により光が当てられる。光の強度は、その結果、選択的にエッチング速度を変えるために、選択的に変えられてもよい。セルは多くの幾何学的な構成を有し、ＬＥＤ半導体ウエハを支持し、かつ、イオンを有する電解質溶液１６を含有するための任意の適当な材料で作られてもよい。セルの特定の構成は、大量の産業アプリケーションのために最適化されうる。白金電極１４などの基準電極１４は、セル本体を通して電解質溶液１６中に延びる。基準電極１４は、参照電圧Ｖｒｅｆを定め、通常は、白金又は銀のワイヤなどの金属ワイヤから、便宜上、飽和カロメル電極(ＳＣＥ)又は任意の他の電極メカニズムから形成される。
【００１９】
セル中で生じる電気化学反応は、周知のポテンシオスタットを動力源としモニターされる。ポテンショスタットは、電極や半導体ウェハにポテンショスタットを接続する接続部にポテンシャルを印加するための電圧原が直列接続された電流検出器を有する。接続部は、任意の接合機構を介して半導体ウェハに取り付けられうる。
【００２０】
ＰＥＣでは、図１のシステムでエッチング処理が行われ、半導体ウェハが酸化還元反応の一部をなす。半導体ウェハは陽極を形成し、対向電極は陰極を形成する。ポテンシャルは、半導体ウェハに印加される。基準電極１４は、ポテンシャルを測定し、モニターするために処理中で使用される。エッチングは、半導体ウェハと電解質溶液１６とのインターフェースで光発生された（ｐｈｏｔｏ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ）正孔によって引き起こされる分解反応によって生じる。
【００２１】
図２Ａは、様々な持続時間の間で酸化優位の条件下における金属マスクを有する第１のサンプルの表面プロファイルを示す図である。サンプルウェハは、基板３０、ＧａＮ膜３２及び粗くされた表面を有する金属マスク３４を含む。酸化優位の条件下における金属マスクを有するサンプルの表面プロファイルは、図２Ｂでは２００秒、図２Ｃでは４００秒、図２Ｄでは６００秒である。
【００２２】
図３は、様々な持続時間の間でエッチング優位の条件下における金属マスクを有する第２のサンプルの表面プロファイルを示す図である。サンプルウェハは、基板３０、ＧａＮ膜３２及び粗くされた表面を有する金属マスク３４を含む。酸化優位の条件下における金属マスクを有するサンプルの表面プロファイルは、図３Ｂでは２００秒、図３Ｃでは４００秒、図３Ｄでは６００秒である。
【００２３】
図４は、縦型ＬＥＤウェハの構造を示す図である。本実施形態では、厚い銅含有層でありうるキャリア上に、例示的にｎ型ＧａＮが上方にあるＬＥＤの多層エピタキシャル構造が示されている。金属キャリア基板の上方に形成された多層エピタキシャル構造は、ｎ型ＧａＮのベースの層８０、ＭＱＷ活性層７８、ｐ型ＧａＮ層７６、反射／コンタクト層７４及び金属基板７０を含む。ｎ型ＧａＮのベースの層８０は、例えば、４ミクロンの厚さを持つ。
【００２４】
ＭＱＷ活性層７８は、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ  ＭＱＷ活性層であってもよい。電力がｎ型ＧａＮのベースの層８０とコンタクト層７４との間に供給され、ＭＱＷ活性層７８が励起されると、その結果、光を発生する。発生した光は２５０ｎｍから６００ｎｍの間の波長を持つことができる。ｐ層７６は、ｐ＋ＧａＮ、ｐ＋ＩｎＧａＮ又はｐ＋ＡｌＩｎＧａＮ層などのｐ＋ＧａＮベースの層であってもよく、０.０５-０.５ミクロンの間の厚さであってもよいし、０.５ｕｍより厚くてもよい。図５及び図６に示すように、不規則なテクスチャ形態がｎ型ＧａＮ表面の上に形成される。
【００２５】
図５は、図４のＬＥＣの金属層の上の粗くされた表面の断面図を示し、図６は、粗くされた表面の例示的なＳＥＭ画像を示す図である。表面上の変化によって有効に表面が粗くされ、空気の屈折率とのより良い調整が得られている。その結果、ＬＥＤの内部からのより良い光抽出を可能にすると考えられる。
【００２６】
本発明は、ある好適な実施の形態を参照して非常に詳細に説明したが、他の形態も可能である。別の実施形態では、ＧａＮ層の表面は、ボール/球又はウェット／ドライエッチング技術を用いて、粗くされる。円錐形を用いて粗くした表面を有する他のＬＥＤ構成も、当業者によって想定されうる。新しいＬＥＤは、異なる表面処理の組み合わせを持つことができる。円錐は、異なる形状、サイズ、スペースを持つことができる。同様に、円錐は様々な密度を持つことができる。したがって、添付の特許請求の範囲の思想及び範囲は、上記の好適な実施の形態に限定されるべきではない。
【００２７】
本発明は、例示的に好適な実施の形態という点から説明されたが、本発明はこれのみに限定されない。一方、様々な改良や同様の構成及び手順を包含することを意図しており、従って、添付の特許請求の範囲は、全てのそのような改良や同様の構成及び手順を含むように、最も広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】光電気化学的な酸化及びエッチング処理を行う例示的なシステムを示す図である。
【図２Ａ】様々な持続時間の間で酸化優位の条件下における金属マスクを有する第１のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図２Ｂ】様々な持続時間の間で酸化優位の条件下における金属マスクを有する第１のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図２Ｃ】様々な持続時間の間で酸化優位の条件下における金属マスクを有する第１のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図２Ｄ】様々な持続時間の間で酸化優位の条件下における金属マスクを有する第１のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図３Ａ】様々な持続時間の間でエッチング優位の条件下における金属マスクを有する第２のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図３Ｂ】様々な持続時間の間でエッチング優位の条件下における金属マスクを有する第２のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図３Ｃ】様々な持続時間の間でエッチング優位の条件下における金属マスクを有する第２のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図３Ｄ】様々な持続時間の間でエッチング優位の条件下における金属マスクを有する第２のサンプルの表面プロファイルを示す図である。
【図４】ｎ型ＧａＮ層を有する縦型ＬＥＤウェハの構造を示す図である。
【図５】露出したｎ型ＧａＮ層の粗くする工程の後の縦型ＬＥＤウェハの断面を示す図である。
【図６】ｎ型ＧａＮ表面の不規則なテクスチャ形態を示す例示的なＳＥＭ画像を示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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