(57)【要約】【課題】光の取り出し効率の大幅な向上を図ることができ、発光効率の大幅な向上を図ることができ、しかも微細化が容易な発光ダイオードを提供する。【解決手段】発光ダイオード構造を形成するｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３に、ｎ型ＧａＮ層１１の下面に対して角度θ1 傾斜している端面１４を形成する。ｐ型ＧａＮ層１３上にｐ側電極１５を形成する。端面１４およびｐ側電極１５の周囲の部分のｐ型ＧａＮ層１３の上面を覆うように透明樹脂１６を形成し、この透明樹脂１６およびｐ側電極１５の全体を覆うように反射膜１７を形成する。ｎ型ＧａＮ層１１の下面にｎ側電極１８を形成する。【選択図】図１
2007019467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有する発光ダイオードであって、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
上記端面と上記反射体との間に上記半導体層の屈折率より小さい屈折率を有する透明樹脂が形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
上記半導体層の厚さが０．３μｍ以上１０μｍ以下であり、かつ上記半導体層の最大径に対する上記半導体層の厚さの比が０．００１以上２以下であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項４】
上記半導体層は光取り出し面およびこの光取り出し面と反対側の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極を有し、上記反射体は上記第２の電極とオーミックコンタクトしていて上記第２の電極の一部または上記第２の電極の配線の一部を兼用していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項５】
上記反射体は、少なくとも、３０度≦θ1 ≦９０度のときには上記端面をこれに垂直な方向に、９０度＜θ1 ≦１５０度のときには上記端面をこれに垂直な方向を上記半導体層の光取り出し面で折り返した方向に、上記反射体が形成される面に投影した領域を含むように形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項６】
上記反射体は上記半導体層の光取り出し面と反対側の面上に延在して形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項７】
上記透明樹脂の屈折率をｎ2 、上記透明樹脂の外部の媒質の屈折率をｎ3 としたとき、３０度≦θ1 ≦１５０度かつ、３０度≦θ1 ≦９０度のときθ2 ≧（θ1 −ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２かつθ2 ≦θ1 ／２、９０度＜θ1 ≦１５０度のときθ2 ≧（（θ1 −９０）−ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２かつθ2 ≦（θ1 −９０）／２であることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオード。
【請求項８】
上記反射体の反射面は曲面の部分を有することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項９】
上記半導体層は光取り出し面およびこの光取り出し面と反対側の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極を有し、上記第１の電極は上記端面を上記半導体層の光取り出し面に垂直方向に投影した領域を避けて形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、上記端面の外部に上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する発光ダイオードの製造方法であって、
少なくとも上記端面を覆うように、上記半導体層の屈折率より小さい屈折率を有し、かつ上記主面に対して上記角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む斜面を有する透明樹脂を形成し、この透明樹脂上に上記反射体を形成するようにした
ことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１１】
上記透明樹脂をスピンコート法により形成することを特徴とする請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
上記透明樹脂を、少なくとも上記端面を覆うように形成した樹脂を硬化収縮させることにより形成することを特徴とする請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１３】
上記透明樹脂を、感光性樹脂を用いたフォトリソグラフィー技術により形成することを特徴とする請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
上記透明樹脂を、型を用いた樹脂のプレス成形、熱インプリントまたは紫外線インプリント成形により形成することを特徴とする請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１５】
上記透明樹脂を、弾性変形可能な離型層に押し付けた状態で樹脂を硬化させることにより形成することを特徴とする請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１６】
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して傾斜している端面を有し、上記半導体層は不透明な第１の電極および第２の電極を有する発光ダイオードであって、
上記半導体層の一方の面に上記第２の電極が設けられ、かつ上記半導体層からの光取り出し量が多い光路上を避けて上記第１の電極が設けられている
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１７】
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードバックライトにおいて、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とする発光ダイオードバックライト。
【請求項１８】
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオード照明装置において、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とする発光ダイオード照明装置。
【請求項１９】
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードディスプレイにおいて、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とする発光ダイオードディスプレイ。
【請求項２０】
一つまたは複数の発光ダイオードを有する電子機器において、
少なくとも一つの上記発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオード、発光ダイオードの製造方法、発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイおよび電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図２２に示すようなＧａＮ系発光ダイオードが知られている。図２２に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、サファイア基板１０１上にｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４が順次積層されて発光ダイオード構造が形成されている。この場合、ｎ型ＧａＮ層１０２の上層部、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４は、エッチングにより、基板面に垂直な端面を有する柱状の形状にパターニングされている。そして、ｐ型ＧａＮ層１０４上にｐ側電極１０５が形成され、柱状部の外側の部分のｎ型ＧａＮ層１０２上にｎ側電極１０６が形成されている。このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、動作時に活性層１０３から発生する光は、その柱状部の内部で全反射を繰り返し、最終的にサファイア基板１０１を透過して外部に取り出される。
【０００３】
なお、導電性基板と、その上にエピタキシャル成長させた半導体発光層と、この半導体発光層の、導電性基板の反対側に設けた金属電極とを有する半導体発光ダイオードにおいて、半導体発光層から生じた光が金属電極で反射され、この金属電極で反射された光が外部に向かうようにこの金属電極を配置すること、例えばこの金属電極面を半導体発光層に対し４５度傾斜させることが提案されているが（例えば、特許文献１参照。）、これは、発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して傾斜している端面を有し、この端面に対向した反射体を有する、この発明による発光ダイオードとは技術的思想が大きく異なるものである。
【特許文献１】特開２００２−５０７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の図２２に示す従来のＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４からなる柱状部の端面が垂直であることから、動作時に活性層１０３から発生する光は、その柱状部の内部で全反射を繰り返し、その結果光が吸収されてしまうため、光の取り出し効率が悪く、これが発光効率の低下を招いていた。さらに、このＧａＮ系発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４からなる柱状部の直径が一般に３００μｍ程度と大きく、サイズが大きいという欠点がある。
【０００５】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、光の取り出し効率の大幅な向上により発光効率の大幅な向上を図ることができ、しかも微細化が容易な発光ダイオードを提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような優れた発光ダイオードを用いた発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイおよび電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った。その概要について説明すると次のとおりである。
本発明者らは、微細化に適した構造を有し、光取り出し効率もある程度確保することができるＧａＮ系発光ダイオードとして、図２３に示すようなものについて検討を行った。図２３に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、発光ダイオード構造を形成するｎ型ＧａＮ層２０１、活性層２０２およびｐ型ＧａＮ層２０３をドライエッチングすることにより、これらの層の面に対して例えば４５度程度傾斜した端面２０４を形成するとともに、ｐ型ＧａＮ層２０３の上面にｐ側電極２０５、ｎ型ＧａＮ層２０１の下面にｎ側電極２０６として例えばインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）などからなる透明電極を形成する。この場合、活性層２０２から発生した光を端面２０４で全反射させてｎ型ＧａＮ層２０１の下面、すなわち出射面に向かわせることにより光の取り出し効率を高めるようにしている。
【０００７】
ところが、検討の結果、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、実際には端面２０４から多くの光が漏れてしまい、特にこのＧａＮ系発光ダイオードを樹脂で封止した場合には、活性層２０２から発生した光の６０％程度がこの樹脂中を伝播し、損失となってしまうという問題があった。このため、ｐ側電極２０５の高反射率化や端面２０４の傾斜角度の最適化を行っても、光取り出し効率は２０％程度にしかならなかった。図２４に各方向への光量の割合の一例を示す。図２４では、樹脂封止された上記のＧａＮ系発光ダイオードを模式的に示してある。
【０００８】
そこで、さらに検討を行った結果、上記の端面２０４の外部に、この端面２０４から出射する光を光取り出し面に向かわせるような反射体を設けることが有効であることに着目し、これに基づいて詳細な検討を行ってこの発明を案出するに至った。
一方、図２３に示すＧａＮ系発光ダイオードにおいて、ｎ側電極２０６として用いられるＩＴＯなどからなる透明電極は、ｎ型ＧａＮ層２０１と良好なオーミックコンタクトを取ることが困難であるため、ｎ側電極２０６としては良好なオーミックコンタクトを取ることができる金属を用いることが望ましいが、このような金属は一般に不透明である。ｎ型ＧａＮ層２０１の下面、すなわち光取り出し面にこのように不透明なｎ側電極２０６を形成する場合、その形成位置や大きさの検討はこれまで明確な形ではなされていなかったが、本発明者らはこれについても検討を行ってこの発明を案出するに至った。
【０００９】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有する発光ダイオードであって、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とするものである。
【００１０】
発光ダイオード構造を形成する半導体層は、第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を含む。この半導体層の平面形状は、典型的には円形であるが、必要に応じて他の形状、例えば楕円形などのように、円の全部または一部を規則的または不規則に変形した形状としてもよく、さらにはｎ角形（ｎは３以上の整数）あるいはこのｎ角形の全部または一部を規則的または不規則に変形した形状としてもよい。この半導体層の断面形状は、典型的には台形、長方形または逆台形であるが、これを変形した形状であってもよい。また、この半導体層の端面の傾斜角度θ1 は、典型的には一定であるが、必ずしもそうである必要はなく、端面内で変化させてもよい。
【００１１】
光取り出し効率の向上の観点より、好適には、半導体層の端面と反射体との間にこの半導体層の屈折率より小さい屈折率（空気の屈折率より大きい）を有する透明樹脂を形成する。この透明樹脂としては各種のものを用いることができ、必要に応じてその材質が選択される。同様に、好適には、半導体層の厚さを０．３μｍ以上１０μｍ以下とし、かつ半導体層の最大径に対するこの半導体層の厚さの比を０．００１以上２以下とする。半導体層の最大径は、必要に応じて決めることができるが、一般的には５０μｍ以下、典型的には３０μｍ以下、より典型的には２５μｍ以下である。また、好適には、半導体層が光取り出し面およびこの光取り出し面と反対側の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極を有する場合、反射体をこの第２の電極とオーミックコンタクトさせてこの第２の電極の一部またはこの第２の電極の配線の一部を兼用させる。また、好適には、反射体は、少なくとも、３０度≦θ1 ≦９０度のときには上記端面をこれに垂直な方向に、９０度＜θ1 ≦１５０度のときには上記端面をこれに垂直な方向を半導体層の光取り出し面で折り返した方向に、この反射体が形成される面に投影した領域を含むように形成する。また、好適には、反射体を、半導体層の光取り出し面と反対側の面上に延在して形成する。また、好適には、上記の透明樹脂の屈折率をｎ2 、この透明樹脂の外部の媒質（例えば、空気）の屈折率をｎ3 としたとき、３０度≦θ1 ≦１５０度かつ、３０度≦θ1 ≦９０度のときθ2 ≧（θ1 −ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２かつθ2 ≦θ1 ／２、９０度＜θ1 ≦１５０度のときθ2 ≧（（θ1 −９０）−ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２かつθ2 ≦（θ1 −９０）／２とする。反射体は、半導体層の端面に対向する反射面が平面である場合のほか、この反射面が曲面の部分を有する場合もある。また、好適には、半導体層は光取り出し面およびこの光取り出し面と反対側の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極を有し、この第１の電極は上記端面を半導体層の光取り出し面に垂直方向に投影した領域を避けて形成される。
【００１２】
発光ダイオード構造を形成する半導体層、具体的には、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層の材料としては、基本的にはどのような半導体を用いてもよく、無機半導体、有機半導体のいずれであってもよいが、例えばウルツ鉱型の結晶構造あるいは立方晶構造を有する半導体を用いることができる。ウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体としては、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のほか、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体など、さらにはＺｎＯなどの酸化物半導体などが挙げられる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的にはＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。立方晶構造を有する半導体としては、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体やＡｌＧａＡｓ系半導体などが挙げられる。第１の導電型はｎ型であってもｐ型であってもよく、それに応じて第２の導電型はｐ型またはｎ型である。
【００１３】
第１の半導体層、活性層および第２の半導体層の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの各種のエピタキシャル成長法を用いることができるが、これに限定されるものではない。この成長に用いる基板は、これらの第１の半導体層、活性層および第２の半導体層を良好な結晶性で成長させることが可能である限り、基本的にはどのような材料のものを用いてもよい。具体的には、例えば、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる場合は、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面などを含み、これらの面からオフした面のものも含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＮなど）、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 などからなる基板を用いることができる。また、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層が例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体やＡｌＧａＡｓ系半導体からなる場合は、典型的にはＧａＡｓ基板を用いることができる。
【００１４】
第２の発明は、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、上記端面の外部に上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する発光ダイオードの製造方法であって、
少なくとも上記端面を覆うように、上記半導体層の屈折率より小さい屈折率を有し、かつ上記主面に対して上記角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む斜面を有する透明樹脂を形成し、この透明樹脂上に上記反射体を形成するようにした
ことを特徴とするものである。
【００１５】
半導体層の屈折率より小さい屈折率を有し、かつ上記主面に対して角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む斜面を有する透明樹脂は、種々の方法により形成することができる。具体的には、この透明樹脂は、例えば、スピンコート法により形成したり、少なくとも上記端面を覆うように形成した樹脂を硬化収縮させることにより形成したり、感光性樹脂を用いたフォトリソグラフィー技術により形成したり、型を用いた樹脂のプレス成形により形成したり、熱インプリントにより形成したり、紫外線（ＵＶ）インプリント成形により形成したり、弾性変形可能な離型層に押し付けた状態で樹脂を硬化させることにより形成したりすることができる。
第２の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１６】
第３の発明は、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して傾斜している端面を有し、上記半導体層は不透明な第１の電極および第２の電極を有する発光ダイオードであって、
上記半導体層の一方の面に上記第２の電極が設けられ、かつ上記半導体層からの光取り出し量が多い光路上を避けて上記第１の電極が設けられている
ことを特徴とするものである。
【００１７】
半導体層からの光取り出し量が多い光路上を避けて設けられる第１の電極は、具体的には、例えば、この第１の電極が設けられる面が光取り出し面である場合には、この半導体層の端面をこの半導体層の光取り出し面に垂直方向に投影した領域を避けて形成され、あるいは、このように半導体層の端面をこの半導体層の光取り出し面に垂直方向に投影した領域を避けて形成することに加えて、この光取り出し面における第１の電極以外の部分に発光波長の光の取り出し効率を高める微小な凹凸を規則的または不規則に形成したり、この光の取り出し効率を特に高めることができる規則的な凹凸からなるフォトニック結晶を形成したりする。あるいは、この第１の電極は、この半導体層の端面を覆うように形成される。あるいは、この第１の電極は、半導体層の端面が光取り出し面である場合には、この第１の面が設けられる面全体に設けられ、しかもこの第１の電極および第２の電極の材料として発光波長の光に対する反射率が極力高い材料を用いる。
第３の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
また、この発光ダイオードは、後述のような発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイ、電子機器などに用いることができる。
【００１８】
第４の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードバックライトにおいて、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とするものである。
【００１９】
第５の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオード照明装置において、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とするものである。
【００２０】
第６の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードディスプレイにおいて、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とするものである。
第４〜第６の発明においては、赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードとしては、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたものを用いることができる。赤色発光の発光ダイオードとしては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いたものを用いることもできる。
【００２１】
第７の発明は、
一つまたは複数の発光ダイオードを有する電子機器において、
少なくとも一つの上記発光ダイオードが、
発光ダイオード構造を形成する半導体層がその主面に対して角度θ1 傾斜している端面を有し、
上記端面の外部に、上記端面に対向し、かつ上記主面に対して上記角度θ1 より小さい角度θ2 傾斜している部分を少なくとも一部に含む反射体を有する
ことを特徴とするものである。
【００２２】
この電子機器は、液晶ディスプレイのバックライト、表示、照明その他の目的で少なくとも一つの発光ダイオードを有するものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含み、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品などである。
第４〜第７の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２３】
上述のように構成された第１、第２、第４〜第７の発明においては、動作時に半導体層の内部（活性層）で発生した光は、半導体層の主面に対して傾斜している端面から出射した後、この端面の外部に設けられた反射体で光取り出し面側に反射される結果、外部に取り出すことができる光の割合を大きくすることができる。
また、第３の発明においては、動作時に半導体層の内部（活性層）で発生した光は、不透明な第１の電極により遮られることなく、外部に取り出すことができる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、光の取り出し効率の大幅な向上を図ることができ、発光効率の大幅な向上を図ることができ、しかも微細化が容易な発光ダイオードを得ることができる。そして、この発光効率が高く、しかも微細な発光ダイオードを用いて高性能の発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイ、各種の電子機器などを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１はこの第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＮ層１１、その上の活性層１２およびその上のｐ型ＧａＮ層１３により発光ダイオード構造が形成されている。これらのｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３は全体として例えば円形の平面形状を有し、その端面（側面）１４はｎ型ＧａＮ層１１の下面に対して角度θ1 傾斜している。これらのｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の直径方向の断面形状は台形（θ1 ＜９０度）、長方形（θ1 ＝９０度）または逆台形（θ1 ＞９０度）であり、ｐ型ＧａＮ層１３上には、例えば円形のｐ側電極１５が形成されている。端面１４およびｐ側電極１５の周囲の部分のｐ型ＧａＮ層１３の上面を覆うように透明樹脂１６が形成されている。そして、この透明樹脂１６およびｐ側電極１５の全体を覆うように反射膜１７が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１の下面には、例えば円形のｎ側電極１８が形成されている。
【００２６】
このＧａＮ系発光ダイオードは、光取り出し効率の最大化を図るため、次のように構造が最適化されている。
（１）透明樹脂１６の斜面１６ａはｎ型ＧａＮ層１１の下面に対して角度θ2 傾斜しており、したがって反射膜１７もｎ型ＧａＮ層１１の下面に対して角度θ2 傾斜している。ここで、θ2 ＜θ1 である。これによって、活性層１２から発生し、端面１４から出射する光は、この反射膜１７により反射されて下方に向かい、外部に取り出されやすくなる。
（２）ｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の全体の平均屈折率をｎ1 としたとき、透明樹脂１６の屈折率ｎ2 は空気の屈折率＜ｎ2 ＜ｎ1 となっている。これによって、活性層１２から発生し、端面１４に入射した光は、端面１４の外部の媒質が空気である場合に比べて、この端面１４から外部に出射しやすくなり、最終的に外部に取り出されやすくなる。
（３）発光ダイオード構造の最大径、すなわちｎ型ＧａＮ層１１の下面の直径をａ、全体の厚さ（高さ）をｂとしたとき、アスペクト比ｂ／ａは０．００１〜２、ｂは０．３〜１０μｍの範囲内にある。
（４）反射膜１７の材料には発光波長の光に対する反射率が極力高いもの、例えばＡｇやＡｇを主成分とする金属などを用いる。これによって、端面１４やｐ型ＧａＮ層１３の上面から外部に出射した光をこの反射膜１７により効率よく反射させることができ、最終的に外部に取り出されやすくなる。また、この反射膜１７はｐ側電極１５とオーミックコンタクトしており、ｐ側電極１５の一部あるいはｐ側電極１５に接続される配線の一部を兼用している。これによって、ｐ側電極１５の抵抗の低減を図ることができ、動作電圧の低減を図ることができる。
（５）反射膜１７は、図２に示すように、３０度≦θ1 ≦９０度のときには端面１４をこれに垂直な方向に、９０度＜θ1 ≦１５０度のときには端面１４をこれに垂直な方向を光取り出し面、すなわちｎ型ＧａＮ層１１の下面で折り返した方向に、透明樹脂１６の斜面１６ａ上に投影した領域を少なくとも含むように形成されている。これによって、活性層１２から発生し、端面１４から出射する光のほとんどが、この反射膜１７により反射されて下方に向かい、外部に取り出されやすくなる。
（６）反射膜１７は、端面１４の上の透明樹脂１６上だけでなく、ｐ型ＧａＮ層１３の上面の透明樹脂１６上およびｐ側電極１５上に形成されている。これによって、活性層１２から発生し、端面１４から出射する光だけでなく、ｐ型ＧａＮ層１３の上面から出射する光も、この反射膜１７により反射されて下方に向かい、外部に取り出されやすくなる。
（７）θ1 、θ2 は、３０度≦θ1 ≦１５０度かつ、３０度≦θ1 ≦９０度のときθ2 ≧（θ1 −ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２かつθ2 ≦θ1 ／２、９０度＜θ1 ≦１５０度のときθ2 ≧（（θ1 −９０）−ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２かつθ2 ≦（θ1 −９０）／２を満たすように選ばれている。ここで、ｎ3 は透明樹脂１６の下面に接する外部の媒質の屈折率である。θ1 ＞９０度の場合には、光取り出し面で全反射した光が反射膜１７に入射する。図３に示すように、上記のθ2 ≧（θ1 −ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２あるいはθ2 ≧（（θ1 −９０）−ｓｉｎ-1（ｎ3 ／ｎ2 ））／２は、端面１４からこれに垂直な方向に出射した光が透明樹脂１６と外部の媒質との界面で全反射されない条件である。また、θ2 ≦θ1 ／２あるいはθ2 ≦（θ1 −９０）／２は、透明樹脂１６側から端面１４に光が入射しない条件である。
（８）ｎ側電極１８は、ｐ型ＧａＮ層１３の上面をこれに垂直な方向にｎ型ＧａＮ層１１の下面に投影した領域内に形成されている。これによって、次のような利点を得ることができる。すなわち、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、活性層１２から発生し、端面１４により反射されて下方に向かい、外部に取り出される光の大部分は、端面１４をｎ型ＧａＮ層１１の下面に投影した領域内に集中している。ｎ側電極１８がこの領域に形成されると、外部に取り出される光がこのｎ側電極１８により遮られて光量の損失が生じるため、ｎ側電極１８はこの領域を避けて、言い換えれば、ｐ型ＧａＮ層１３の上面をこれに垂直な方向にｎ型ＧａＮ層１１の下面に投影した領域内に形成するのが好ましく、この領域内であれば、その一部に形成してもよいし、全部に形成してもよい。
【００２７】
このＧａＮ系発光ダイオードの各部の寸法、材料などの具体例を挙げると次のとおりである。ｎ型ＧａＮ層１１の厚さは例えば２６００ｎｍ、活性層１２の厚さは例えば２００ｎｍ、ｐ型ＧａＮ層１３の厚さは例えば２００ｎｍである。活性層１２は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成は、このＧａＮ系発光ダイオードが青色発光である場合は例えば０．１７、緑色発光である場合は例えば０．２５である。発光ダイオード構造の最大径ａは例えば２０μｍである。上記のようにｎ型ＧａＮ層１１の厚さが２６００ｎｍ、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の厚さがそれぞれ２００ｎｍである場合、この発光ダイオード構造の全体の厚さは２６００＋２００＋２００＝３０００ｎｍ＝３μｍである。この場合、発光ダイオード構造のアスペクト比はｂ／ａ＝３／２０＝０．１５である。θ1 は例えば５０度である。透明樹脂１６の屈折率ｎ2 が例えば１．６、例えばこの透明樹脂１６をスピンコート法により塗布し、この塗布時の厚さが平坦部で１μｍ相当、硬化収縮によりその厚さが７０％に減少した場合、θ2 は例えば２０度である。ｐ側電極１５は例えばＡｇ／Ｐｔ／Ａｕ構造の金属多層膜からなり、Ａｇ膜の厚さは例えば５０ｎｍ、Ｐｔ膜の厚さは例えば５０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さは例えば２０００ｎｍである。ｐ側電極１５はＡｇの単層膜からなるものであってもよい。反射膜１７は例えばＡｇ／Ａｕ構造の金属多層膜からなり、Ａｇ膜およびＡｕ膜の厚さはそれぞれ例えば５０ｎｍである。反射膜１７はＡｇの単層膜からなるものであってもよい。ｎ側電極１８は例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造の金属積層膜からなり、Ｔｉ膜およびＰｔ膜の厚さは例えばそれぞれ５０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さは例えば２０００ｎｍである。
【００２８】
このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、動作時に活性層１２から発生する光は、端面１４で反射されてｎ型ＧａＮ層１１の下面から外部に取り出され、あるいは、端面１４およびｐ型ＧａＮ層１３の上面から出射して反射膜１７により反射されて透明樹脂１６の下面から外部に取り出され、あるいは、直接ｎ型ＧａＮ層１１の下面に向かってそのまま外部に取り出される。この場合、上記のように各部が光取り出し効率の最大化の観点から最適化されているため、このＧａＮ系発光ダイオードから外部に取り出される光の量は極めて大きい。
【００２９】
次に、このＧａＮ系発光ダイオードの製造方法について説明する。
図４Ａに示すように、まず、例えば主面がＣ＋面で厚さが４３０μｍのサファイア基板１９を用意し、サーマルクリーニングを行うことなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１９上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、まず例えば５００℃程度の低温で例えば厚さが１０００ｎｍのＧａＮバッファ層２０を成長させ、その後１０００℃程度まで昇温して結晶化してから、その上にｎ型不純物として例えばＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層１３を順次成長させる。ここで、ｎ型ＧａＮ層１１は例えば１０００℃程度の温度で成長させ、活性層１２は例えば７５０℃程度の温度で成長させ、ｐ型ＧａＮ層１３は例えば９００℃程度の温度で成長させる。また、ｎ型ＧａＮ層１１は例えば水素ガス雰囲気中で成長させ、活性層１２は例えば窒素ガス雰囲気中で成長させ、ｐ型ＧａＮ層１３は例えば水素ガス雰囲気中で成長させる。
【００３０】
上記のＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス（メチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００３１】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたサファイア基板１９をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
次に、基板表面にリソグラフィーにより所定の円形のレジストパターンを形成し、さらに基板全面に例えばスパッタリング法によりＡｇ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、このレジストパターンをその上に形成されたＡｇ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、図４Ｂに示すように、ｐ型ＧａＮ層１３上にＡｇ／Ｐｔ／Ａｕ構造の円形のｐ側電極１５を形成する。
【００３２】
次に、図４Ｃに示すように、ｐ側電極１５を含むｐ型ＧａＮ層１３の所定領域の表面を覆う円形のレジストパターン２１を形成する。
次に、レジストパターン２１をマスクとして、例えば塩素系ガスをエッチングガスに用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、テーパーエッチングが行われる条件でｎ型ＧａＮ層１１の厚さの途中の深さまでエッチングを行った後、レジストパターン２１を除去する。こうして、図５Ａに示すように、傾斜角度θ1 の端面１４が形成される。
【００３３】
次に、図５Ｂに示すように、透明樹脂１６を形成する。この透明樹脂１６の形成方法としては、例えば次のような方法が挙げられる。第１の方法では、全面に透明樹脂１６をスピンコート法により塗布することで斜面１６ａをθ2 の角度に自動的に設定する。第２の方法では、透明樹脂１６をスピンコート法などにより塗布した後、この透明樹脂１６を硬化収縮させることで斜面１６ａをθ2 の角度に設定する。第３の方法では、透明樹脂１６をフォトリソグラフィー技術により形成する。具体的には、透明樹脂１６としてレジスト（感光性樹脂）を用い、このレジストの塗布、露光、現像を行うことで斜面１６ａをθ2 の角度に設定する。第４の方法では、所定の型を用いて透明樹脂１６をプレス成形することで斜面１６ａをθ2 の角度に設定する。第５の方法では、透明樹脂１６を熱インプリントすることで斜面１６ａをθ2 の角度に設定する。第６の方法では、透明樹脂１６をＵＶインプリント成形することで斜面１６ａをθ2 の角度に設定する。第７の方法では、透明樹脂１６をスピンコート法などにより塗布した後、この透明樹脂１６を弾性変形可能な離型層に押し付けた状態でこの透明樹脂１６を硬化させることで斜面１６ａをθ2 の角度に設定する。
【００３４】
次に、基板全面に例えばスパッタリング法によりＡｇ膜およびＡｕ膜を順次形成し、さらにその上にリソグラフィーにより所定の円形のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてＡｇ膜およびＡｕ膜をエッチングする。これによって、図５Ｃに示すように、透明樹脂１６およびｐ側電極１５上にＡｇ／Ａｕ構造の円形の反射膜１７を形成する。
【００３５】
次に、別途用意したサファイア基板（図示せず）上に樹脂などで反射膜１７側を貼り合わせた後、サファイア基板１９の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射してサファイア基板１９とｎ型ＧａＮ層１１との界面のアブレーションを行うことにより、ｎ型ＧａＮ層１１から上の部分をサファイア基板１９から剥離する。次に、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨することで、この剥離面のＧａＮバッファ層２０を除去し、さらにｎ型ＧａＮ層１１を斜面１４にかかるまで薄膜化する。この時点で各ＧａＮ系発光ダイオード間が分離された状態となる。
【００３６】
次に、このｎ型ＧａＮ層１１の表面にリソグラフィーにより所定の円形のレジストパターンを形成し、さらに全面に例えばスパッタリング法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、このレジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、ｎ型ＧａＮ層１１上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造の円形のｎ側電極１８を形成する。
【００３７】
この後、反射膜１７側を貼り合わせたサファイア基板を除去して各ＧａＮ系発光ダイオードを分離する。
以上により、図１に示すように、目的とするＧａＮ系発光ダイオードが完成する。こうして製造されたＧａＮ系発光ダイオードは、用途に応じて、単体素子として用いてもよいし、他の基板と貼り合わせたり、転写したり、配線接続を行ったりすることができる。
図６に、ｎ型ＧａＮ層１１の裏面に、ｎ側電極１８に加えて、このｎ側電極１８を覆うように例えばＩＴＯなどからなる透明配線２２を形成した例を示す。
図７に、ｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の直径方向の断面形状が長方形（θ1 ＝９０度）であるＧａＮ系発光ダイオードを示す。この場合、ｐ側電極１５はｐ型ＧａＮ層１３の上面の全面に形成され、ｎ側電極１８はｎ型ＧａＮ層１１の裏面の全面に形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の直径は例えば１０μｍ以下、典型的には５μｍ以下であり、一方、直径が小さすぎると十分な発光強度を得ることが難しくなるため通常は２〜３μｍ以上であるが、これに限定されるものではない。このＧａＮ系発光ダイオードでは、ｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の直径がこのように小さくても、ｐ側電極１５がｐ型ＧａＮ層１３の上面の全面に形成され、ｎ側電極１８もｎ型ＧａＮ層１１の裏面の全面に形成されているため、電流密度の低減を図ることができ、輝度飽和を防止することができるとともに、ｐ側電極１５およびｎ側電極１８のコンタクト抵抗の低減を図ることができ、動作電圧の低減を図ることができる。また、図２２に示す従来のＧａＮ系発光ダイオードと異なり、活性層１２から発生する光は、ｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の内部で全反射を繰り返して吸収されることなく、外部に取り出すことができる。活性層１２から発生し、最終的に外部に取り出される光の光路の一例を図７に示す。
図８に、ｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の直径方向の断面形状が逆台形（θ1 ＞９０度）であるＧａＮ系発光ダイオードを示す。この場合、ｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の直径方向の断面形状が台形（θ1 ＜９０度）の場合に比べてｐ型ＧａＮ層１３の直径を大きくすることができるので、ｐ側電極１５の直径を大きくすることができる。このため、電流密度の低減を図ることができ、輝度飽和を防止することができるとともに、ｐ側電極１５のコンタクト抵抗の低減を図ることができ、動作電圧の低減を図ることができる。活性層１２から発生し、最終的に外部に取り出される光の光路の一例を図８に示す。
【００３８】
以上のように、この第１の実施形態によれば、ＧａＮ系発光ダイオードの構造の最適化により、光の取り出し効率を最大化することができ、発光効率の大幅な向上を図ることができる。例えば、図９に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードによれば、活性層１２から発生した光のうちの約６１．７％をｎ型ＧａＮ層１１の下面から取り出すことができる。これは、図２３に示すＧａＮ系発光ダイオードの光の取り出し効率が高々２０％程度であったのと比べると、著しく高い値である。また、このＧａＮ系発光ダイオードは微細化に適した構造を有しており、例えば数十μｍ以下のサイズの超小型のものを容易に得ることができる。
図１０に、このＧａＮ系発光ダイオードの実施例の発光強度−電流特性の測定結果を示す。ただし、ｐ側電極１５および反射膜１７としてはＡｇの単層膜を用いた。また、発光ダイオード構造の最大径ａは２０μｍ、ｎ型ＧａＮ層１１の厚さは２６００ｎｍ、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の厚さはそれぞれ２００ｎｍ、θ1 ＝５０度、θ2 ＝２０度である。図１０には、比較のために、ｐ側電極１５としてＮｉの単層膜を用い、反射膜１７を形成しないことを除いてこのＧａＮ系発光ダイオードと同様な構造を有するＧａＮ系発光ダイオードの発光強度−電流特性の測定結果も併せて示した。図１０から明らかなように、反射膜１７を形成したこのＧａＮ系発光ダイオードでは、ｐ側電極１５としてＮｉの単層膜を用い、反射膜１７を形成しないＧａＮ系発光ダイオードに比べて、発光強度が約３倍も大きくなっている。
【００３９】
このＧａＮ系発光ダイオードは青色発光、緑色発光または赤色発光のものを得ることができ、発光ダイオードディスプレイ、発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置などを容易に実現することができる。また、このＧａＮ系発光ダイオードは、例えば携帯電話などの各種の電子機器における表示や照明に用いることもできる。青色発光または緑色発光の発光ダイオードとしてこのＧａＮ系発光ダイオードを用い、赤色発光の発光ダイオードとして後述の赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを用いてもよい。
【００４０】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
図１１はこの第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１１に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードは、透明樹脂１６の斜面１６ａが平面ではなく、斜面１６ａの途中の部分が凹んだ凹面となっており、この凹面の斜面１６ａ上に反射膜１７が形成されていることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードと同様な構造を有する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００４１】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。
図１２はこの第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１２に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードは、透明樹脂１６の斜面１６ａが平面ではなく、斜面１６ａの途中の部分が突き出た凸面となっており、この凸面の斜面１６ａ上に反射膜１７が形成されていることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードと同様な構造を有する。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００４２】
次に、この発明の第４の実施形態について説明する。
図１３はこの第４の実施形態によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを示す。
図１３に示すように、このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＡｓ層５１、その上のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２、活性層５３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５４およびその上のｐ型ＧａＡｓ層５５により発光ダイオード構造が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ層５１はｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２の中央部にのみ形成されている。また、ｐ型ＧａＡｓ層５５はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５４の中央部にのみ形成されている。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２、活性層５３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５４は全体として例えば円形の平面形状を有し、その直径方向の断面形状は台形、長方形または逆台形であり、端面１４は主面に対して角度θ1 傾斜している。ｐ型ＧａＡｓ層５５上には例えば円形のｐ側電極１５が形成されている。この発光ダイオード構造の端面１４およびｐ側電極１５の周囲の部分のｐ型ＧａＡｓ層５５の上面を覆うように透明樹脂１６が形成されている。そして、この透明樹脂１６およびｐ側電極１５の全体を覆うように反射膜１７が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ層５１の下面には、例えば円形のｎ側電極１８が形成されている。
このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードと同様な（１）〜（８）の特徴を有する。
【００４３】
このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの各部の寸法、材料等の具体例を挙げると次のとおりである。ｎ型ＧａＡｓ層５１の厚さは例えば５０ｎｍ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２の厚さは例えば１０００ｎｍ、活性層５３の厚さは例えば９００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５４の厚さは例えば１０００ｎｍ、ｐ型ＧａＡｓ層５５の厚さは例えば５０ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５４の組成は、例えば、ＡｌとＧａとの組成の合計がＩｎの組成にほぼ等しい場合、Ａｌ＋Ｇａ＝１としたとき、Ａｌ＝０〜０．７である。活性層５３は、例えば、Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ井戸層と（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ障壁層とからなるＭＱＷ構造を有する。発光ダイオード構造の最大径ａは例えば２０μｍである。上記のようにｎ型ＧａＡｓ層５１の厚さが５０ｎｍ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２の厚さが１０００ｎｍ、活性層５３の厚さが９００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５４の厚さが１０００ｎｍ、ｐ型ＧａＡｓ層５５の厚さが５０ｎｍである場合、この発光ダイオード構造の全体の厚さは５０＋１０００＋９００＋１０００＋５０＝３０００ｎｍ＝３μｍである。この場合、発光ダイオード構造のアスペクト比はｂ／ａ＝３／２０＝０．１５である。θ1 は例えば４５度である。透明樹脂１６の屈折率が例えば１．６、その塗布時の厚さが平坦部で１μｍ相当、硬化収縮により厚さが７０％に減少した場合、θ2 は例えば２０度である。ｐ側電極１８は例えばＡｕ／Ｐｔ／Ａｕ構造の金属多層膜からなり、Ａｕ膜の厚さは例えば５０ｎｍ、Ｐｔ膜の厚さは例えば５０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さは例えば２０００ｎｍである。反射膜１７は例えばＡｕ単層膜からなり、その厚さは例えば１００ｎｍである。ｎ側電極１８は例えばＰｄ／ＡｕＧｅ／Ａｕ構造の金属積層膜からなり、Ｐｄ膜の厚さは例えば１０ｎｍ、ＡｕＧｅ膜の厚さは例えば９０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さは例えば２０００ｎｍである。
【００４４】
次に、このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造方法について説明する。
図１４Ａに示すように、まず、例えば主面が（００１）面または（００１）面から［１００］方向に１０度程度オフした面で厚さが３５０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板５６上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば８００℃程度の温度で、例えば厚さが５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層５７を成長させ、その上にｎ型ＧａＡｓ層５１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２、活性層５３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５４およびｐ型ＧａＡｓ層５５を順次成長させる。
【００４５】
上記のＡｌＧａＩｎＰ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｐの原料としてはホスフィン（ＰＨ3 ）を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばセレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばジメチル亜鉛（（ＣＨ3 ）2 Ｚｎ、ＤＭＺｎ）を用いる。
【００４６】
次に、上述のようにしてＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を成長させたｎ型ＧａＡｓ基板５６をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
次に、図１４Ｂに示すように、ｐ型ＧａＡｓ層５５上に円形のレジストパターン２１を形成する。
次に、レジストパターン２１をマスクとして、例えばＲＩＥ法により、テーパーエッチングが行われる条件でｎ型ＧａＡｓ層５１までエッチングを行った後、レジストパターン２１を除去する。こうして、図１４Ｃに示すように、傾斜角度θ1 の端面１４が形成される。このエッチングにおいては、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層５７が露出した時点でエッチングが停止する。
【００４７】
次に、基板表面にリソグラフィーにより所定の円形のレジストパターンを形成し、さらに基板全面に例えばスパッタリング法によりＡｕ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、このレジストパターンをその上に形成されたＡｕ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、図１５Ａに示すように、ｐ型ＧａＡｓ層５５上にＡｕ／Ｐｔ／Ａｕ構造の円形のｐ側電極１５を形成する。次に、このｐ側電極１５以外のｐ型ＧａＡｓ層５５をエッチング除去する。
【００４８】
次に、図１５Ｂに示すように、透明樹脂１６を形成する。この透明樹脂１６の形成方法としては、例えば第１の実施形態と同様な方法を用いることができる。
次に、基板全面に例えばスパッタリング法によりＡｕ膜を形成し、さらにその上にリソグラフィーにより円形のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてＡｕ膜をエッチングする。これによって、図１５Ｃに示すように、透明樹脂１６およびｐ側電極１５上にＡｕの単層膜からなる円形の反射膜１７を形成する。
【００４９】
次に、別途用意したサファイア基板（図示せず）上に樹脂などで反射膜１７側を貼り合わせた後、ｎ型ＧａＡｓ基板５６を裏面側から例えばウエットエッチング法によりエッチング除去し、引き続いてｎ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層５７もエッチング除去する。この時点で各ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード間が分離された状態となる。
【００５０】
次に、ｎ型ＧａＡｓ層５１の表面にリソグラフィーにより所定の円形のレジストパターンを形成し、さらに全面に例えばスパッタリング法によりＰｄ膜、ＡｕＧｅ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、このレジストパターンをその上に形成されたＰｄ膜、ＡｕＧｅ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、ｎ型ＧａＡｓ層５１上にＰｄ／ＡｕＧｅ／Ａｕ構造の円形のｎ側電極１８を形成する。この後、このｎ側電極１８以外の部分のｎ型ＧａＡｓ層５１をエッチング除去する。
【００５１】
この後、反射膜１７側を貼り合わせたサファイア基板を除去して各ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを分離する。
以上により、図１３に示すように、目的とするＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが完成する。こうして製造されたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、用途に応じて、単体素子として用いてもよいし、他の基板と貼り合わせたり、転写したり、配線接続を行ったりすることができる。
図１６に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層５２の裏面に、ｎ側電極１８を覆うようにＩＴＯなどからなる透明配線２２を形成した例を示す。
この第４の実施形態によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードにおいて、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５２】
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。
図１７はこの第５の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１７に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＮ層１１、その上の活性層１２およびその上のｐ型ＧａＮ層１３により発光ダイオード構造が形成されている。これらのｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３は全体として例えば円形の平面形状を有し、その直径方向の断面形状は台形であり、端面１４は主面に対して傾斜している。この傾斜角度は例えば第１の実施形態におけるθ1 と同様である。ｐ型ＧａＮ層１３上には例えば円形のｐ側電極１５が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層１１の下面には、例えば円形のｎ側電極１８が形成されている。この場合、このｎ側電極１８は、端面１４をｎ型ＧａＮ層１１の下面に投影した領域を避けて、言い換えれば、ｐ型ＧａＮ層１３の上面をｎ型ＧａＮ層１１の下面に投影した領域内に形成されている。これによって、活性層１２から発生し、端面１４により反射されて下方に向かう光の大部分が、このｎ側電極１８により遮られることなく、外部に取り出される。
この第５の実施形態によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができ、それによって発光効率の高いＧａＮ系発光ダイオードを得ることができる。また、このＧａＮ系発光ダイオードは例えば数十μｍ以下のサイズに超小型化することができる。
【００５３】
次に、この発明の第６の実施形態について説明する。
図１８はこの第６の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１８に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｐ側電極１５は、ｐ型ＧａＮ層１３の上面の全面に形成されている。また、ｎ側電極１８は、ｎ型ＧａＮ層１１の下面の全体に形成されている。これらのｐ側電極１５およびｎ側電極１８の材料としては、いずれも発光波長の光に対する反射率が極力高い材料、例えばＡｇやＡｇを主成分とする金属などを用いる。その他のことは第５の実施形態と同様である。
この第６の実施形態によれば、活性層１２から発生する光はｐ側電極１５およびｎ側電極１８の双方により反射されることにより、端面１４から取り出される光の量を多くすることができる。このため、光の取り出し効率の向上を図ることができ、それによって発光効率の高いＧａＮ系発光ダイオードを得ることができる。また、このＧａＮ系発光ダイオードは例えば数十μｍ以下のサイズに超小型化することができる。
【００５４】
次に、この発明の第７の実施形態について説明する。
図１９はこの第７の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１９に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＮ層１１、その上の活性層１２およびその上のｐ型ＧａＮ層１３により発光ダイオード構造が形成されている。これらのｎ型ＧａＮ層１１、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３は全体として例えば円形の平面形状を有し、その直径方向の断面形状はほぼ台形状であり、ｎ型ＧａＮ層１１の端面１４は主面に対して傾斜している。この傾斜角度は例えば第１の実施形態におけるθ1 と同様である。この場合、ｎ型ＧａＮ層１１の上部、活性層１２およびｐ型ＧａＮ層１３は例えば円柱状にパターニングされている。ｐ型ＧａＮ層１３上には例えば円形のｐ側電極１５が形成されている。一方、ｎ側電極１８は、ｎ型ＧａＮ層１１の端面１４を覆うように形成されている。これらのｐ側電極１５およびｎ側電極１８は、いずれも発光波長の光に対する反射率が極力高い金属などの材料により形成する。この場合、ｎ側電極１８は端面１４に形成されているため、活性層１２から発生し、端面１４に入射した光は効率よく反射されて下方に向かい、ｎ型ＧａＮ層１１の下面から外部に取り出される。その他のことは第５の実施形態と同様である。
この第７の実施形態によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができ、それによって発光効率の高いＧａＮ系発光ダイオードを得ることができる。また、このＧａＮ系発光ダイオードは例えば数十μｍ以下のサイズに超小型化することができる。
【００５５】
次に、この発明の第８の実施形態について説明する。
図２０はこの第８の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図２０に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｐ側電極１５は、ｐ型ＧａＮ層１３の上面の全面に形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１の裏面には、ｐ型ＧａＮ層１３の上面をｎ型ＧａＮ層１１の下面に投影した領域内にリング状のｎ側電極１８が形成されている。このｎ側電極１８が形成されていない部分のｎ型ＧａＮ層１１の裏面には発光波長の光を効率的に外部に取り出すことができる規則的に形成された微小な凹凸２３からなるフォトニック結晶が形成されている。この凹凸２３の大きさおよび間隔は、例えば０．１〜１μｍ程度である。その他のことは第５の実施形態と同様である。
この第８の実施形態によれば、活性層１２から発生し、ｎ型ＧａＮ層１１の下面に達した光は凹凸２３からなるフォトニック結晶により効率よく外部に取り出すことができる。このため、光の取り出し効率の向上を図ることができ、それによって発光効率の高いＧａＮ系発光ダイオードを得ることができる。また、このＧａＮ系発光ダイオードは例えば数十μｍ以下のサイズに超小型化することができる。
【００５６】
ここで、活性層１２の平面形状が上記のように円形ではなく、任意の形状である場合において、この活性層１２に対して、ｎ側電極１８の位置、形状および大きさを決定する際の指針について説明する。
いま、活性層１２が図２１Ａに示すような平面形状を有する場合を考える。ＧａＮ系発光ダイオードの動作時にｐ側電極１５とｎ側電極１８との間に順方向電圧を印加してｐ側電極１５からｎ側電極１８に電流を流した場合、活性層１２を通過する電流の幅は、横方向への広がりにより、ｎ側電極１８よりも大きくなる（例えば、H.C.Casey, Jr.＆M.B.Panish; Heterostructure Lasers,Part A,B, Academic Press, 1978 のFig.7.7-1 およびその関連説明参照）。このため、図２１Ａに示すように、ｎ側電極１８は最低限、活性層１２より内側にこの電流広がり距離だけ小さい領域に形成すればよい。言い換えれば、ｎ側電極１８をこの電流広がり距離だけ外側に拡大したものが、活性層１２と完全に一致するか、この活性層１２を完全に含めばよい。この条件を満たせばよいので、ｎ側電極１８を例えば図２１Ｂに示すように三つに分けて形成してもよい。一方、ｎ側電極１８のコンタクト抵抗の観点からは、（ｎ側電極１８のコンタクト抵抗ＲC ［Ωｃｍ2 ］）／（要求されるコンタクト抵抗値Ｒ［Ω］）≦（ｎ側電極１８のコンタクト面積［ｃｍ2 ］）という条件を満たすことが必要である。
【００５７】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第１〜第８の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを説明するための断面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードのｎ側電極側に透明配線を形成したものを示す断面図である。
【図７】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードにおいてθ1 ＝９０度の場合を示す断面図である。
【図８】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードにおいてθ1 ＞９０度の場合を示す断面図である。
【図９】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードからの光の取り出しを説明するための略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの発光強度−電流特性の測定結果の例を示す略線図である。
【図１１】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図１２】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図１３】この発明の第４の実施形態によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図１４】この発明の第４の実施形態によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】この発明の第４の実施形態によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】この発明の第４の実施形態によるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードのｎ側電極側に透明配線を形成したものを示す断面図である。
【図１７】この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図１８】この発明の第６の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図１９】この発明の第７の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図２０】この発明の第８の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図２１】活性層が任意の形状を有する場合のｎ側電極の位置、形状および大きさを決定する際の指針を説明するための略線図である。
【図２２】従来のＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図２３】本発明者らが検討したＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図２４】本発明者らが検討したＧａＮ系発光ダイオードからの光の取り出しを説明するための略線図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１…ｎ型ＧａＮ層、１２…活性層、１３…ｐ型ＧａＮ層、１４…端面、１５…ｐ側電極、１６…透明樹脂、１６ａ…斜面、１７…反射膜、１８…ｎ側電極、１９…サファイア基板、２２…透明配線、２３…凹凸、５１…ｎ型ＧａＡｓ層、５２…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層、５３…活性層、５４…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、５５…ｐ型ＧａＡｓ層、５６…ｎ型ＧａＡｓ基板、５７…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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