(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層、活性層、及び第２型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を成長させるステップと、
前記第２型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層の上部にＧａＰ窓層を成長させるステップと、
前記ＧａＰ窓層の表面に電極を形成するステップと、
前記ＧａＰ窓層の表面に凹凸状ＧａＮ層を成長させるステップと、を含むことを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記凹凸状ＧａＮ層の表面の凹凸パターンの形成のために、過度のドーピング環境で成長させたことを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記第１型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層の成長前に、ＤＢＲ層を成長させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード及びその製造方法に関し、より詳しくは、発光ダイオードの光抽出効率を増加させるために、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの上部に、ＡｌＧａＩｎＰ系物質よりも大きなバンドギャップと低い屈折率を有するＧａＮ層を高品質で成長させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、注入される電気エネルギーを、約５７０〜６３０ｎｍ範囲内の特定波長を有する光に変換させる半導体素子である。発光ダイオードが発する光の波長は、発光ダイオードが有するバンドギャップの大きさに左右される。特に、バンドギャップの大きさは、ＡｌとＧａの組成比を変化させることにより、容易に調節することができ、例えば、Ｇａに対するＡｌの組成比を増加させるほど、波長が短くなる。
【０００３】
ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、一般に、高品質の薄膜成長を可能にする有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）システムを用いて製造される。ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、基本的に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ物質とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ物質の中間に、特定波長を有する光を発するように設定された非ドープのＡｌＧａＩｎＰ系の高効率活性層が存在する構造を有する。活性層、ｎ型層及びｐ型層は、相対的に高い抵抗を有するので、汎用の発光ダイオードを考慮すると、各層の成長は、略１μｍ以下の厚さ（層厚さ＜３μｍ）までである。
【０００４】
このようなＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの光効率は、内部量子効率と光抽出効率により決まるので、発光ダイオードの光効率を増加させるためには、これら決定因子のいずれか一つを増加させなければならない。内部量子効率の増加は、活性層の放出領域を拡大して効率を増加させる方法であって、一般に、活性層の多層構造、電流拡散層及び電子・正孔溢出防止層等が主に用いられる。光抽出効率の増加は、活性層から放出された光が発光ダイオードの外部に抜けやすくして効率を増加させるものであって、反射膜、光結晶及び表面凹凸の形成（テクスチャリング ）等が用いられる。
【０００５】
光抽出効率の増加のためには、上述した方法のうち、表面凹凸の形成が最も広く、かつ様々な方法で用いられている。特に、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの場合、一般に、上部電流拡散層として用いられるＧａＰ層の表面を、リン酸系の化学エッチング法で処理して凹凸状に粗く形成し、光散乱面を形成する。しかしながら、このような化学エッチング法は、ＧａＰ層の表面に欠陥または汚染を発生させ、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの特性を低下させる要因となる。したがって、光抽出効率を増加させるための表面凹凸を、化学エッチング法によらずに形成する方案が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの光抽出効率を増加させることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、化学エッチング法を使用せずに表面の凹凸を形成して、光抽出効率を増加させることができるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを提供することにある。
【０００８】
本発明のまた他の目的は、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードにおいて、成長システムを変更することなく、発光ダイオードの表面に凹凸状ＧａＮ層を成長させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、その上部表面にＧａＮ層が形成されたことを特徴とする。このＧａＮ層は、好ましくは凹凸状ＧａＮ層であり、好ましくは蒸着により形成される。このＧａＮ層は、発光ダイオードのエピタキシャル層の最上層に形成され、よって上部表面は、電流拡散層または半導体層の表面であってもよい。
【００１０】
ＧａＮ層は、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードに用いられる全ての物質よりも、相対的に高いバンドギャップを有し、且つ、相対的に小さな屈折率を有する物質の層なので、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの光抽出効率を増加させることができる。ここで、「相対的に高いバンドギャップを有する」とは、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードから放出される光を吸収することなく透過させるように、ＧａＮ層がＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの他の成長物質よりも大きいバンドギャップを有することを意味する。また、「相対的に小さな屈折率を有する」とは、ＧａＮ層がＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの他の成長物質よりも小さな屈折率を有することを意味する。ＧａＮ層はｎ＝２．５の屈折率を有する。これは、ＡｌＧａＩｎＰ系物質の屈折率（ｎ＝３．０〜３．５）よりも小さく、最終的に発光ダイオードを取り囲むようになる封止材であるエポキシの屈折率（ｎ＝１．５〜１．８）よりも大きい。
【００１１】
ＧａＮ層または凹凸状ＧａＮ層は、活性層からの光を発光ダイオードの外部に放出する際の妨害要因となる全反射の量を大幅に減少させることにより、光抽出効率を増加させる。ここで、用語の「凹凸状」は、表面に微細な凹凸パターンが形成されていることを意味し、粗表面特性を有するものと理解してもよい。
【００１２】
ＧａＮ層は、相対的に低温で、成長させる。好ましくは約４００〜７００℃、より好ましくは約５００〜５５０℃で成長させる。したがって、ＭＯＣＶＤシステムにおいて、約６７０〜８００℃で成長させるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの成長システムを、ＧａＮ層を成長させるために用いてもよい。すなわち、同一のＭＯＣＶＤにおいて、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの層を成長させた後、システム内の温度を下げ、最上部層にＧａＮ層を高品質で成長させることができる。
【００１３】
ＧａＮ層は、成長時、過度にドープすると、表面を粗く形成することができる。ここで、用語「過度にドープされる」とは、蒸着時、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎのようなドーパント前駆体のガス流量を約３００ｓｃｃｍ以上、好ましくは約４００ｓｃｃｍ以上に設定することを意味してもよい。前駆体ガスの流量を増加させるほど、表面はさらに粗くなる傾向にある。ＭＯＣＶＤシステムにおいて、一定の厚さのＧａＮ層を成長させた後、過度にドープされたＧａＮ層を成長させると、高品質の凹凸状ＧａＮ層を成長させることができる。
【００１４】
ＧａＮ層は、１００〜２０００ｎｍの厚さを有するように成長させることが好ましい。この範囲よりも薄いと、約５０〜６０ｎｍ厚さの粗い緩衝層の影響を受け、高品質の成長が困難であり、この範囲よりも厚いと、以降に形成される、通常、約２０００〜２３００ｎｍの厚さを有する上部電極が、ＧａＮ層に埋もれてしまい、最終のランプパッケージングの際に不良発生の可能性が高いからである。
【００１５】
本発明において、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、基板上に、第１型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層、活性層、及び第２型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を成長させた後、その上に、ＧａＮ層（好ましくは、凹凸状ＧａＮ層）を成長させることで製造される。ここで、第１型及び第２型は、それぞれ、ｎ型及びｐ型、またはｐ型及びｎ型を意味する。この成長は、ＭＯＣＶＤのような、当該技術の分野において知られた技法により行われてもよく、凹凸状ＧａＮ層は、ＧａＮが上述のような過度のドーピング環境で蒸着することで成長させることができる。
【００１６】
発光ダイオードの発光効率を向上させるために、基板と第１型半導体層との間にはＤＢＲ層を、第２型半導体層とＧａＮ層との間には電流拡散層を成長させることが好ましい。ＧａＮ層の成長後、その上には、上部電極が蒸着され、基板の下には、下部電極が蒸着される。上部電極の蒸着においては、ＧａＮは、その抵抗が、発光ダイオードのＧａＰ物質やＡｌＧａＩｎＰ物質の抵抗よりも相対的に大きいので、ＧａＮ層における電極が形成される部分を、例えば、エッチングにより除去した後、除去された領域に上部電極が蒸着される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高いバンドギャップと低い屈折率を有するＧａＮ層を、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの成長時、上部表面に成長させることにより、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの光抽出効率を増加させることができる。
【００１８】
特に、ＧａＮ層は、化学エッチング処理の使用や工程の追加を伴うことなく、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの成長後、同一のシステム内で、直ちに凹凸状に成長され得るので、発光ダイオードの欠陥や汚染を生じることなく、安定的に発光ダイオードの効率を大いに増加させることができ、凹凸形成のための追加の工程が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＭＯＣＶＤシステムにより製造された従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ａ）と、本発明による凹凸状ＧａＮ層が適用されたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）との構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明による凹凸状ＧａＮ層を有するＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの電子顕微鏡表面写真であり、（ｂ）は、この発光ダイオードにおけるＧａＰ窓層と凹凸状ＧａＮ層との垂直構造を示す電子顕微鏡側面写真であり、（ｃ）は、（ａ）写真の一部に対する定性分析データを示すグラフである。
【図３】従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ａ）、本発明による平坦状ＧａＮ層が適用されたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）、及び凹凸状ＧａＮ層が適用されたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｃ）についての光放出模式図である。
【図４】従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ａ）、本発明による平坦状ＧａＮ層を有するＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）、及び凹凸状ＧａＮ層を有するＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｃ）のＰＬ（ｐｈｏｔｏ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の付加的な態様、特徴、及び利点は、後述する代表的な実施例の説明を含み、その説明は、添付した図面を参照しつつ理解されなければならない。本発明の明確な理解を助けるために、各図面において、一部の構成要素は、誇張または省略され、または概略的に図示されることがある。また、各構成要素の大きさは、実際の大きさを完全に反映するものではない。下記の実施例は、当該技術の分野における通常の知識を有する者にとって、本発明を理解させ、容易に実施可能にするための、本発明の好適な実施形態の例示に過ぎず、本発明を制限するものと解釈されてはならない。通常の技術者であれば、本発明の思想と目的の範囲内において、様々な変更と修正が可能であることを認識することができるだろう。
【００２１】
図１は、ＭＯＣＶＤシステムにより作製された従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ａ）と、本発明による凹凸状ＧａＮ層２が適用されたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）との構造を簡略に示す図である。従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ａ）と、本発明によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）とはともに、基板８の上に、反射層７、下部制限層６、活性層５、上部制限層４、及び窓層３が、順に成長され、積層された層構造を有し、基板８の下面に下部電極９が形成され、窓層３の上面に上部電極１が形成されている。これらの具体的な形成は、当該技術の分野において知られたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造工程により行うことができる。
【００２２】
従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード及び本発明によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードがともに備えている各層の構成について、より具体的に説明すると、本発明による発光ダイオードは、ＡｌＧａＩｎＰ系であるので、活性層５は、（ＡｌxＧａ1-x）1-yｌｎyＰ層である。活性層５は、必要に応じて単一層構造、量子井戸構造、多重量子井戸構造などから選択される構造を有する。好ましくは、活性層５は、複数層からなり、ｘ値を変化させながら層を形成することにより、活性層の全体にわたって多重量子井戸が形成されている。したがって、さらに多くの電子が、多重量子井戸内の低いエネルギー準位を占有し、その結果、電子が伝導帯から価電子帯へ遷移しやすく、発光効果が増大される。下部制限層６は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層であり、上部制限層４は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層である。
【００２３】
基板８は、ｎ型ＧａＡｓ基板である。ＧａＡｓ基板は、光吸収性が大きいので、活性層５から下向きまたは基板方向に放出される光は、ＧａＡｓ基板により吸収され、発光ダイオードの効率が低下する。したがって、通常の技術者にとって理解される通り、ＧａＡｓ基板を除去することなく、発光効率を増加させるためには、基板８の上に複数層からなる反射層７を成長させて、活性層５から基板８の方向に放出される光を前面（上部）方向に反射させる。反射層７は、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層であり、これは、活性層５である（ＡｌxＧａ1-x）1-yｌｎyＰ層の組成比による発光ダイオードの発光波長に応じて、ＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ／ＧａＡＳ、ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ等から選ばれた多層構造からなる。
【００２４】
上部制限層４の上に形成された上部窓層３は、本質的に電流拡散のための層であって、透明で抵抗率の小さな材料を蒸着して形成され、好ましくはｐ型ＧａＰ層である。窓層３は、電流拡散効果及び上部側面放出コーン領域の拡大効果のために、数乃至数十ミクロンの厚さ、好ましくは約１５μｍ以上の厚さに成長させる。
【００２５】
活性層５に陽極電圧を印加する役割をする上部電極１と、活性層５に陰極電圧を印加する役割をする下部電極９とは、ＡｌＧａＩｎＰ系オーミック接触（ｏｈｍｉｃ  ｃｏｎｔａｃｔ）物質であるＡｕＧｅとＡｕＢｅがそれぞれ用いられてもよく、追加の電極物質の例については、当該技術の分野においてよく知られている。
【００２６】
上述した発光ダイオードの構造に加えて、本発明によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）は、窓層３の上にＧａＮ層、好ましくは凹凸状ＧａＮ層２を成長させた構造を有する。凹凸状ＧａＮ層２は、発光ダイオードの光抽出効率を増加させるために適用されたものであって、別途のプロセッサやシステムの使用無しで、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）の他の層の成長のために用いたＭＯＣＶＤシステムにより成長させることができる。
【００２７】
図２は、本発明により製造された凹凸状ＧａＮ層を有するＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの電子顕微鏡写真であって、（ａ）は、上部表面を示す写真であり、（ｂ）は、窓層上に成長させたＧａＮ層を示す側面写真であり、（ｃ）は、表面写真（ａ）の一部に対する定性分析データを示すグラフである。凹凸状ＧａＮ層は、ＭＯＣＶＤシステムにおいて、５５０℃、ＴＭＧａ１５０ｓｃｃｍ、ＮＨ3４５０００ｓｃｃｍで、一定の厚さの高品質のＧａＮ層を蒸着した後、同一の成長環境において、約４００ｓｃｃｍで、Ｃｐ２Ｍｇを流しながら、ＧａＮ層を蒸着することにより成長させた。表面写真（ａ）に示すように、ＧａＮ層の表面は、数多くの屈曲が存在し、微細な凹凸パターンをなす。側面写真（ｂ）に示すように、窓層（ＧａＰ）の真上に、約３７０ｎｍ厚さの凹凸状ＧａＮ層が均一に成長したことが確認される。また、グラフ（ｃ）に示すように、定性分析の結果、ＧａＰ窓層の上に成長された層において「Ｎ」検出表示が確認された。ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、成長時、「Ｎ」物質が用いられないので、ＧａＰ窓層の上に、高品質で成長させた物質がＧａＮであることが分かる。
【００２８】
図３は、ＧａＮ層の有無によって、活性層から発生した光の放出がいかに異なるかを示すための図であって、従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ａ）、本発明による平坦状ＧａＮ層が適用されたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｂ）、及び凹凸状ＧａＮ層が適用されたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード（ｃ）から放出される光の相違したルートを図示的に示している。発光ダイオード（ａ）の場合、活性層の点光源から発生した光は、相違した屈折率を有する上部制限層と窓層を経て、発光ダイオードの外部に放出されるが、相当量の光は、窓層の表面境界面で反射され、発光ダイオードの内部に向かうことになる。これに対して、平坦状ＧａＮ層が適用された発光ダイオード（ｂ）の場合、ＧａＮ物質のさらに小さな屈折率により、表面境界面で反射される光が、発光ダイオード（ａ）に比べて相当に減少する。また、凹凸状ＧａＮ層が適用された発光ダイオード（ｃ）の場合は、表面の微細な凹凸パターンによって大きな臨界角が与えられ、全反射により発光ダイオードの内部に反射される光を、さらに顕著に減らすことができる。
【００２９】
図４は、図３に示した構造を有する、それぞれの発光ダイオードにおいて測定された光ルミネセンス（ＰＬ）特性を示すグラフである。ＰＬ特性の比較のために、平坦状ＧａＮ層と凹凸状ＧａＮ層は、従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードと同じ条件下で成長されたサンプルの上にそれぞれ成長させた。従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードに比べて、平坦状ＧａＮ層が適用された発光ダイオードは、ピーク波長の強度が約１．８倍増加し、凹凸状ＧａＮ層が適用された発光ダイオードは、ピーク波長の強度が約２．１倍増加したことが分かる。これらの発光ダイオードは、ＧａＮ層の成長前は、全て同一の特性を有するので、光ルミネセンスの増加、すなわち、発光ダイオードの効率増加は、本発明によるＧａＮ層を成長させた結果であることが分かる。
【００３０】
以上、本発明の代表的な実施例について記述しているが、本発明は、特許請求の範囲に記載された請求項の全ての範囲において保護される権利があることが理解されなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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