(57)【要約】【課題】改善された光抽出効率を有する発光ダイオードと、該発光ダイオードの形成方法を提供する。【解決手段】発光ダイオードは、その多層構造に統合される実質的に等距離の光抽出スポットの該配列中に形成される光学層を含む。光抽出スポットの該配列は、並列六角形パターンの分散を含む。光抽出スポットの該層の厚さは８００Ａ未満であり、好ましくは約５００Ａである。【選択図】図１Ｈ
2008010809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面の上に積み重ねられる複数の窒化物半導体層を含む多層構造であって、
発光層を含む該多層構造と、
該多層構造を通して駆動電流を印加するための複数の電極と、
該多層構造に統合され、実質的に等距離の光抽出スポットの配列を形成する光学層と、
を備える発光ダイオード。
【請求項２】
光抽出スポットが約８００Ａ未満の層の厚さを有する請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
光学層がＳｉＯｘ、ＳｉｘＮｙ、ＳｉＣ、ＳｉＯｘＮｙ、ＺｎＳｅ、ＴｉＯ２、またはＴａ２Ｏ５を含む材料複合物から作られ、ｘとｙが化学元素比番号である請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
光抽出スポットの該配列が、該多層構造の２つの材料層の間の界面に配列される請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
該光抽出スポットの該配列が並列六角形パターンの光抽出スポットの分散を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
光抽出スポットが各六角形パターンの角と中心に設置される請求項５に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
１つの光抽出スポットが六角形を有する請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
該発光ダイオードの光度が約１５０ｍｃｄを超える請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
少なくとも１つの発光層を含む多層構造を形成することと、
該多層構造を通して駆動電流を供給するための電極を形成することと、
該多層構造に統合される、実質的に等距離の光抽出スポットの配列を含む光学層を形成することと、
を備える発光ダイオードの形成方法。
【請求項１０】
該光抽出スポットが約８００Ａ未満の層の厚さを有する請求項９に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１１】
該多層構造に統合される光学層を形成することが、該多層構造の２つの層の間の界面で該光学層を形成することを含む請求項９に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１２】
該多層構造に統合される光学層を形成することが、
基板の表面上で光学層を形成することと、
実質的に等距離の光抽出スポットの配列を形成するために該光学層をパターン化することと、
該光学層の上に該発光層を含む複数の層を積み重ねることと、
を備える請求項１１に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１３】
該光学層の上で複数の層を積み重ねることが、
該光学層を覆うバッファ層を形成することと、
該バッファ層上で複数の窒化物半導体層を形成することと、
を含む請求項１２に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１４】
実質的に等距離の光抽出スポットの配列を形成するために該光学層をパターン化することが、フォトレジストパターンを形成するためにフォトリソグラフィを実行することと、該フォトレジストパターンを通してエッチングすることとを含む請求項１２に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１５】
該光学層は、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＳｉＯｘＮｙ、ＺｎＳｅ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５を含む材料複合物から作られる、ｘとｙが化学元素比番号である請求項９に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１６】
実質的に等距離の光抽出スポットの該配列が並列六角形パターンの光抽出スポットの分散を含む請求項９に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１７】
該光抽出スポットが各六角形パターンの角と中心に設置される請求項１６に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの光抽出スポットが六角形を有する請求項９に記載の発光ダイオードの形成方法。
【請求項１９】
該発光ダイオードが約１５０ｍｃｄを超える光度を有する請求項９に記載の発光ダイオードの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して半導体発光ダイオードの製造に関し、さらに詳細には光抽出効率が改善された発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、従来、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に挟みこまれた発光層を含む多層構造から構成されている。該発光層は活性化した窒化物半導体複合物から作られた単一構造または多層構造であってよい。発光ダイオードの電極間に印加される電圧バイアスは、電子の注入及び／またはｎ型半導体層とｐ型半導体層を通って流れ、それらが光を生じさせるために再び結合する発光層を貫通する穴を生じさせる。発光層から発生する光は全方向で伝搬し、各露出面を通って発光ダイオードを出る。その照明目的を効果的に達成するためには、通常、発光ダイオードを出る光を所望される発射方向に向けることが必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来発光ダイオードの光効率は多くの標示因子を通して特徴付けることができる。１つの因子は、発光ダイオードで生じる光量に対して発光ダイオードを出る光量の率である光抽出効率である。実質的には、発光ダイオードを出る光の量は、発光ダイオードを構成するさまざまな層を通るさまざまな内部吸収のため、発光ダイオードで生じる光の量に満たない。光抽出効率を高めるために、１つの従来の手法は、有用な方向に沿って光を向け直すために発光ダイオードの多層構造の内部に反射体層を設置することである。
【０００４】
前記問題に対処するために、技術で公知の１つの手法は発光ダイオードのｐ型層の上に銀（Ａｇ）から作られるｐ型電極を形成することからなる。この技法は、例えば開示が参照により本書に組み込まれている米国特許第６，１９４，７４３号に説明されている。Ａｇの高い反射率が、光を基板に向け直すことのできる反射ｐ型電極を形成することの一助となり、ｐ型電極を通る吸収はそれにより防止できる。
【０００５】
技術で公知の別の手法は、有用な光路に沿った光の伝搬を促進するために多層構造中に光学層を組み込む。この技法は、やはり参照により、開示が本書に組み込まれているＴｈｉｂｅａｕｌｔらに対する米国特許第６，６５７，２３６号で説明されている。光学層は、発光層から発射される光を散乱し、分散するように構成される光抽出要素の配列内に形成される。
【０００６】
米国特許第６，８７０，１９１号は、やはり参照により、開示が本書に組み込まれている、発光ダイオードが凹部及び突出部を形成するためにサファイア基板表面がエッチングされる技法を開示している。発光領域から発生した光は光抽出を改善するために凹部及び突出部によって散乱または回折できる。基板のエッチングは便宜上、不利なことに以後の成長プロセスの品質を落とす金属残渣を生じさせることになる金属性マスクの使用を必要とする。したがって、この方法は経済的ではなく望ましくない汚染物質を生じさせる。
【０００７】
前述された従来の技術は、発光ダイオードの光度を高めるためにさらなる改善を必要とする可能性がある多様な技術的な手法を開示している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書は、改善された光抽出効率を有する発光ダイオードと、該発光ダイオードを形成する製造プロセスを説明している。
【０００９】
ある実施形態では、発光ダイオードは、基板上に積み重ねられ、発光層と、駆動電流を印加し、該発光ダイオードを照明するための複数の電極と、該多層構造に統合される光学層とを含む複数の窒化物半導体層から構成される多層構造を備え、該光学層が実質的に等距離の光抽出スポットの配列を形成する。
【００１０】
ある実施形態に従って、光抽出スポットの該配列は六角形パターンの並列を含む。いくつかの例では、光学層はＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＳｉＯｘＮｙ、ＺｎＳｅ、ＴｉＯ２またはＴａ２Ｏ５を含む材料複合物から作られる。いくつかの実施形態では、光学層の厚さは８００オングストローム未満であり、好ましくは約５００オングストロームである。変形の実施形態では、１つの光抽出スポットが六角形中に表面積を有する。いくつかの変形では、発光ダイオードは約１５０ｍｅｄを超える光度を有する。
【００１１】
本願は、発光ダイオードを形成するプロセスも説明する。ある実施形態に従って、該プロセスは少なくとも１つの発光層を含む多層構造を形成することと、該多層構造を通して駆動電流を供給するための電極を形成することと、該多層構造に統合され、実質的に等距離の光抽出スポットの配列から構成される光学層を形成することとを備える。
【００１２】
いくつかの実施形態では、製造プロセスは、多層構造の２つの層の間の界面に該光学層を形成することを含む。インプリメンテーションのいくつかの例では、光学層は基板の表面上に形成され、実質的に等距離の光抽出スポットの配列を形成するために光学層をパターン化すること、及び該光学層上に該発光層を含む複数の層を積み重ねることがさらに続く。
【００１３】
いくつかの変形では、製造プロセスが光学層をカバーするバッファ層を形成することと、複数の窒化物半導体層をバッファ層上に形成することをさらに含む。
【００１４】
いくつかの例では、実質的に等距離の光抽出スポットの配列を形成するために光学層をパターン化することは、フォトレジストパターンを形成するためにフォトリソグラフィを実行することと、該フォトレジストパターンを通してエッチングすることとを含む。
【００１５】
前記は要約であり、請求項の範囲を制限すると解釈されないものとする。本書に開示されている動作及び構造は、多くの方法で実現されてよく、このような変更及び変形は、本発明及びそのより幅広い態様から逸脱することなく行われてよい。他の態様、発明の特長、及び本発明の優位点は、請求項によってのみ定められるように、後述される限定されない詳細な説明に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本願は発光ダイオードと、光抽出効率を改善し、発光ダイオードの光度を高めることのできるその製造プロセスとを説明している。発光ダイオードは、窒化物半導体複合物の層を含む多層構造で形成される。多層構造は、光抽出を改善するために光を効果的に屈折させ、散乱させることができる光抽出スポットの配列パターンで構成される光学層を組み込む。本書の「窒化物半導体複合物」は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮまたは少なくともＡｌ元素、Ｉｎ元素、Ｇａ元素及びＮ元素の任意の組み合わせから構成される同様の複合物を指す。
【００１７】
図１Ａから図１Ｈは、本発明の実施形態による発光ダイオードを製造するプロセスの概略図である。図１Ａでは、サファイア基板１０２が最初に熱清掃プロセスを受ける。実施形態に従って、熱清掃プロセスは、約１０００ｍｂａｒで維持される圧力環境で約５ｓｌｍ（毎分標準リットル）でＨ２及び／またはＮ２を導入する一方で、１０００℃を超える温度まで基板１０２を加熱することを含む。当業者は、基板がケイ素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の他の適切な透明な材料から作られてよいことを容易に理解する。
【００１８】
図１Ｂを参照すると、光学層１０４は基板１０２上に形成されている。本発明の実施形態では、光学層１０４は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から作られている。さらに一般的には、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＳｉＯｘＮｙ、ＺｎＳｅ、ＴｉＯ２、またはＴａ２Ｏ５を含むＳｉＯｘ、ＳｉｘＮｙを含む他の複合物材料が適切であってよく、ｘとｙは各複合物における適切な元素比の数字を示している。描かれている実施形態を参照すると、二酸化ケイ素は化学気相蒸着によって基盤１０２の表面上に付着される。二酸化ケイ素を形成するにはスパッタリング技法または蒸発技法も使用できる可能性がある。
【００１９】
図１Ｃを参照すると、光学層１０４は、基板１０２の表面上で分散される光抽出パターン１０６の配列を形成するために適切なパターン層を通してエッチングされる。パターン層は付着されたフォトレジスト層であり、フォトリソグラフィ技法に従って露光され、現像され、適切なフォトレジストパターンを形成することができる。光抽出パターン１０６は好ましくは基板１０２の表面上に列で分散される光抽出スポット１０７を含む。光抽出スポット１０７の好ましい分散パターンは、図２に関してさらに後述される。
【００２０】
図１Ｄを参照すると、バッファ層１０８が光抽出パターン１０６上で形成される。ある実施形態では、バッファ層１０８は基板１０２の表面上の光抽出パターン１０６をカバーするほど十分な厚さで付着されている非ドープＧａＮから作られる。ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮのような他の物質または類似する窒化物半導体複合物も、基板１０２の結晶格子不一致を削減するために使用されるバッファ層１０８、及びその上に窒化物半導体層が以後形成される光抽出パターン１０６に適してよい。バッファ層１０８は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）技法、気相成長（ＶＰＥ）技法または分子線エピタキタシー（ＭＢＥ）技法によって付着されてよい。
【００２１】
次に図１Ｅを参照すると、多層化された構造がバッファ層１０８上に積み重ねられている。描かれている実施形態では、多層化された構造は、ｎ型接触層１１０、発光層１１２、ｐ型接触層１１４、及び透明な導電層１１６を含む。ｎ型接触層１１０、発光層１１２及びｐ型接触層１１４は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）技法、気相成長（ＶＰＥ）技法または分子線エピキタシー（ＭＢＥ）技法を使用して形成されてよい。透明な導電層１１６はインジウムスズ酸化物等の透明な伝導性酸化物であってよい。
【００２２】
描かれている実施形態では、ｎ型接触層１１０は、Ｓｉ  ｎ−型ドーピング元素でドーピングされたＧａＮであり、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニウム（ＮＨ３）及びモノシラン（ＳｉＨ４）等を使用して有機金属化学気相成長法を使用することによって形成できる。発光層１１２は、有機金属化学気相成長法技法によって付着される窒素（Ｎ）、インジウム（Ｉｎ）、及びガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体複合物から作られる障壁層（不図示）と交互に積み重ねられる井戸層から形成される複数の量子井戸構造を含んでよい。ｐ型接触層１１４は、有機金属化学気相成長法技法によって形成される、マグネシウム（Ｍｇ）ドーピング不純物を含むＧａＮから作られてよい。付着状態は、ｐ型接触層１１４が以後焼きなましプロセスを必要とせずに活性ドーピング不純物で付着できるように調整されてよい。
【００２３】
図１Ｆを参照すると、透明な導電層１１６、ｐ型接触層１１４及び発光層１１２の部分を包含する領域が、ｎ型接触層１１０の一部が露出するまでエッチングされる。
【００２４】
図１Ｇを参照すると、ｎ型電極１１８がｎ型接触層１１０の露出した領域上に形成され、ｐ型電極１１９がｐ型接触層１１６上に形成される。
【００２５】
図１Ｈを参照すると、電極１１８と１１９を露出する一方で、密封不活性化層１２０が透明な導電層１１６とｎ型ＧａＮ層１１０の露出領域を覆うために形成されている。密封不活性化層１２０は例えばＳｉＯ２から作ることができる。露出された電極１１８と１１９は、発光ダイオードの照明を駆動するために導線またはフリップチップマウントを通して電源に接続できる。電流は電子と、発光層１１２内で再結合し、光を生じさせるｎ型接触層１１０とｐ型接触層１１４を通る穴の移動を生じさせる。
【００２６】
図２は、本発明による光抽出パターンのために実現される配列パターンの実施形態を描く平面図である。光抽出パターン１０６は、基板１０２の表面積の上で、配列中で均一に分散される複数の光抽出スポット１０７を含む。好ましくはスポット１０７は、各スポットがその隣接するスポットから等距離である等距離分散で設置される。換言すると、配列パターン中の隣接するスポット１０７のあらゆる組は同じスポット間の距離「ｇ」を有する。
【００２７】
描かれている実施形態では、光抽出スポット１０７は並列六角形パターンで例示的に分散され、スポット１０７はそれぞれ各六角形の角と中心に設置される。２つの隣接するスポット間の距離「ｇ」は約０．５μｍと１０μｍの間である。図２に示されているように、基板に平行な平面内での１つのスポット１０７の投影は円形（ａ）、矩形（ｂ）、六角形（ｃ）または八角形（ｄ）を有してよい。各スポット１０７のサイズは、各スポットを囲み、約３μｍという直径の円によって近似できる。それによって構成される光抽出スポット１０７のパターン分散は、実際には、光抽出効率を改善するために効果的に光を屈折させ、散乱させることができる。予備試験は、六角形（ｃ）を有し、約２μｍのスポット間等距離であるスポット１０７の配列パターンについて改善された光抽出が得られることを示している。
【００２８】
本願の発明者により実施された研究は、光抽出パターンの別の要因が発光ダイオードの光抽出効率を決定することを示している。
【００２９】
ここで、光抽出パターンの厚さに応じて光抽出効率を評価するために、本発明の実施形態に従って実施される実験を説明するために、図３と図４が参照される。発光ダイオードのサンプルは、図１Ａから図１Ｈの説明に従って例示的に実現できる同じ製造プロセスで形成される。各サンプルは、例示的にＳｉＯ２から作られ、前述されたように光抽出スポットの等距離配列に従って分散される光抽出パターンの厚さにより異なる。各サンプルの照明を評価するために、２０ｍＡという固定電流が発光ダイオードの各サンプルに印加される。図４は試験システムインプリメンテーションの例を描き、各サンプルＤは測定プラットホームＰ上に設置され、光センサＳは、それが固定電流の印加を受けると各サンプルの光度を検出し、測定するように構成されている。
【００３０】
図３のチャートは、試験実験の結果を収集し、発光ダイオードの光度及び他の代表的な電気パラメータが測定された。第１の欄「ウェハ番号」は、サンプル番号を示し、第２の欄は各サンプルでの光抽出パターンのオングストローム（Ａ）単位の厚さを示す。チャートで試験される電気特性の中では、ボルト（Ｖ）単位で表現される「Ｖｆｉｎ」は発光ダイオードの初期通電電圧である。「Ｖｆ」は発光ダイオードを照明するための順方向電圧である。「Ｖｒ」は発光ダイオードの絶縁破壊時の逆方向電圧である。「Ｉｒ」はマイクロアンペア（μＡ）単位で表される漏れ電流である。「Ｉｖ」はミリカンデラ（ｍせｄ）で表される発光ダイオードの光度である。「λｄ」は主波長であり、「λｐ」はピーク波長であり、両方の特徴ともナノメートル（ｎｍ）で表され、発光ダイオードの色エミッションを示す。この実験では、サンプルは青色範囲で発する例示的な発光ダイオードである。
【００３１】
図３のチャートでは、約４５８ｎｍという主波長λｄに対応する約１５０．２ｍｃｄという最大光度が、約５００Ａ（サンプル３）の光抽出パターンの厚さの場合に観察される。相対的に、光抽出パターンを有さない参照パターンは約１２６ｍｃｄ（サンプル１）の光度を放出する。約８００ａ（サンプル４）の光抽出パターンの厚さの場合、光度は約１３５．５ｍｃｄである。光抽出パターンの厚さがそれぞれ１１００Ａ（サンプル５）、１５００Ａ（サンプル６）及び２５００Ａ（サンプル７）まで拡大すると、特に試験及び／または測定誤差が考慮される場合、発光ダイオードの光度が８００Ａの厚さに相当する光度と大幅に変化しないことが観察される。３５００Ａ（サンプル８）に等しい光抽出パターンの厚さの場合、発光ダイオード値の光度は１２４．９ｍｃｄまで低下する。
【００３２】
図３のチャートは、電気特性Ｖｆｉｎ、Ｖｆ、Ｖｒ及びＩｒのマイナーな変動も示し、発光ダイオードの電気特性が光抽出パターンの厚さの変動により影響を及ぼされないことを示している。
【００３３】
本発明に従って実施された試験は、このようにして光抽出パターンの層の厚さが、発光ダイオードの光度を修正する要因であることを明らかにしている。図３の結果に従って、改善された発光ダイオードが、８００Ａ未満であり、好ましくは約５００Ａである光抽出パターンの特定の厚さ範囲を実現する必要がある。実施形態に従って、考えられる厚さ範囲５００Ａ前後が製造時に約４００Ａと６００Ａの間で設定でき、必要な場合には製造または設計の要望に準拠するために広げることができる。
【００３４】
本発明による光抽出スポットの配列を形成することにより、光抽出は強化され、発光ダイオードは改善された光度を有することができる。同業者は、本発明による光抽出パターンにより実現される改善された特徴が一般的にあらゆるタイプの発光ダイオードについて実現されてよいことを容易に理解するであろう。特に本発明による光抽出パターンは、異なる層構造を有する発光ダイオードで実現されてよい。さらに、光抽出スポットの層は光発射のさまざまな方向と一致するために発光ダイオードの多層構造のさまざまな層レベルで配列できる。
【００３５】
従って、本発明に従った具現化は特定の実施形態の関連で説明されてきた。これらの実施形態は、限定的ではなく例示的となることを目的としている。多くの変形、変型、追加及び改善が可能である。したがって、複数のインスタンスが、単一のインスタンスとして本書に説明される構成要素に提供されてよい。例示的な構成において離散構成要素として提示されている構造及び機能性は、１つの結合された構造または構成要素として実現されてよい。これらの及び他の変形、変型、追加及び改善は以下に続く請求項に定められるように本発明の範囲内に入ってよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図１Ｃ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図１Ｄ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図１Ｅ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図１Ｆ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図１Ｇ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図１Ｈ】本発明の実施形態に従って発光ダイオードを形成するプロセスの概略図である。
【図２】本発明の実施形態に従って配列される光抽出スポットの配列パターンを描く概略図である。
【図３】本発明に従って分散される光抽出スポットの配列パターンの厚さに従って発光ダイオードの特徴的なパラメータの変形を示すデータチャートである。
【図４】本発明の実施形態による発光ダイオードの光度を評価するためのテストシステムインプリメンテーションの概略図である。
【図１Ａ】
2008010809.tif 000003
【図１Ｂ】
2008010809.tif 000004
【図１Ｃ】
2008010809.tif 000005
【図１Ｄ】
2008010809.tif 000006
【図１Ｅ】
2008010809.tif 000007
【図１Ｆ】
2008010809.tif 000008
【図１Ｇ】
2008010809.tif 000009
【図１Ｈ】
2008010809.tif 000010
【図２】
2008010809.tif 000011
【図３】
2008010809.tif 000012
【図４】
2008010809.tif 000013