(57)【要約】【課題】活性層で生成された光子が側面に放出される水平経路を短縮してｐ型電極と発光面との間で光子の全反射回数を減少させ、また、臨界角を増加させて外部量子効率の改善効果を極大化する垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子を提供する。【解決手段】垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子は、ｎ型ボンディングパッド１１０と、該ｎ型ボンディングパッドの下面に形成されたｎ型電極１２０と、該ｎ型電極の下面に、ｎ型窒化ガリウム層１３０、活性層１４０及びｐ型窒化ガリウム層１５０が下に順次積層されてなる発光構造物と、該発光構造物の下面に形成されたｐ型電極１６０と、該ｐ型電極の下面に形成された構造支持層１７０と、を備えてなり、発光構造物は、発光構造物の最外郭辺からｎ型電極の方向に、該ｎ型電極と所定間隔離れて発光構造物の活性層が除去されてなる１以上のトレンチ２００を有する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ボンディングパッドと、
前記ｎ型ボンディングパッドの下面に形成されたｎ型電極と、
前記ｎ型電極の下面に、ｎ型窒化ガリウム層、活性層及びｐ型窒化ガリウム層が下方へ順次積層されて形成された発光構造物と、
前記発光構造物の下面に形成されたｐ型電極と、
前記ｐ型電極の下面に形成された構造支持層と、
を備え、
前記発光構造物は、前記発光構造物の最外郭辺から前記ｎ型電極の方向に、該ｎ型電極と所定間隔離れて前記発光構造物の活性層が除去されてなる１以上のトレンチを有することを特徴とする、垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記ｎ型電極は、前記トレンチに隣接する前記発光構造物上に、トレンチと重ならない方向に延びている１以上のｎ型枝電極をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記発光構造物が２以上のトレンチを有する場合、前記ｎ型電極を中心に、隣接するトレンチが等間隔で離隔配置されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記トレンチは、前記発光構造物のｎ型窒化ガリウム層と活性層がメサエッチングされて形成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記トレンチは、前記発光構造物のｎ型窒化ガリウム層、活性層及びｐ型窒化ガリウム層がメサエッチングされて形成されたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極は、反射率の高い導電体からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記ｎ型電極または前記ｐ型電極は、透明電極及び反射電極が順次積層された構造からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直構造（垂直電極型）の窒化ガリウム系（ＧａＮ）発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；以下、「ＬＥＤ」と称する。）素子に係り、より詳細には、活性層で生成された光子の損失を最小限に抑え光抽出効率を上げることによって、外部量子効率を増大させることができる垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化ガリウム系ＬＥＤは、サファイア基板上に成長するが、このサファイア基板は、堅く、電気的に不導体であり、且つ、熱伝導特性が悪いため、窒化ガリウム系ＬＥＤの大きさを減らし製造コストを節減したり、光出力及びチップの特性を改善させたりするのには限界がある。特に、ＬＥＤの高出力化には大電流の印加が必須であるため、ＬＥＤの熱放出問題を解決することが重要である。かかる問題を解決するために、従来、レーザーリフトオフ（Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｆｔ−Ｏｆｆ；以下、「ＬＬＯ」と称する。）を用いてサファイア基板を除去した垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が提案されたことがある。
【０００３】
しかしながら、従来の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子では、活性層で生成された光子がＬＥＤの外部へ放出される効率（以下、「外部量子効率」と略す。）が低下するという問題点があった。
【０００４】
以下、図１乃至図３を参照して、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子における問題点について詳細に説明する。
【０００５】
図１は、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図であり、図２は、図１の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示す平面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ′線に沿った断面図で、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示している。
【０００６】
図１乃至図３を参照すると、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、ｎ型ボンディングパッド１１０と、該ｎ型ボンディングパッド１１０の下面に形成されたｎ型電極１２０と、該ｎ型電極１２０の下面に形成されたｎ型窒化ガリウム層１３０と、該ｎ型窒化ガリウム層１３０の下面に形成された活性層１４０と、該活性層１４０の下面に形成されたｐ型窒化ガリウム層１５０と、該ｐ型窒化ガリウム層１５０の下面に形成されたｐ型電極１６０と、該ｐ型電極１６０の下面に形成された構造支持層１７０と、を備えてなる。
【０００７】
ここで、ｎ型電極１２０とｐ型電極１６０は、電極の機能に加え、反射の機能も担うようにするため、反射率の高い金属からなることが好ましい。
【０００８】
一方、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、図３に示すように、活性層１４０で生成された光子が、発光面に直接放出される、または、活性層１４０の下部に配置されて反射の機能を担うｐ型電極１６０によって発光面に全反射されて放出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のように、ｐ型電極１６０によって発光面に全反射される際、全反射過程中に、活性層で生成された光の損失が発生する問題があった。具体的には、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、活性層で生成された光が発光面から放出される経路において、垂直方向に比べて水平方向の経路がより長いことから、素子の側面に放出される光子は、ｐ型電極と発光面との間で全反射される間に、素子内部に吸収または散乱されその大部分が損失してしまう。
【００１０】
換言すると、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、活性層とｐ型及びｎ型窒化ガリウム層の水平経路が長いため、側面に光が放出される臨界角αが小さく、よって、ｐ型電極と発光面との間で全反射による光子の損失を避けられず、外部量子効率が低下するという問題があった。
【００１１】
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、活性層で生成された光子が、側面に放出される水平経路を短縮してｐ型電極と発光面との間で光子の全反射回数を減少させ、また、臨界角を増加させて外部量子効率の改善効果を極大化する垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、ｎ型ボンディングパッドと、前記ｎ型ボンディングパッドの下面に形成されたｎ型電極と、前記ｎ型電極の下面に、ｎ型窒化ガリウム層、活性層及びｐ型窒化ガリウム層が下方へ順次積層されて形成された発光構造物と、前記発光構造物の下面に形成されたｐ型電極と、前記ｐ型電極の下面に形成された構造支持層と、を備え、前記発光構造物は、前記発光構造物の最外郭辺から前記ｎ型電極の方向に、該ｎ型電極と所定間隔離れて前記発光構造物の活性層が除去されてなる１以上のトレンチを有することを特徴とする垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子を提供する。
【００１３】
また、上記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記ｎ型電極は、前記トレンチに隣接する前記発光構造物上に、トレンチと重ならない方向に延びている１以上のｎ型枝電極をさらに含むことが好ましい。該ｎ型枝電極は、前記トレンチによって発光構造物の端部への電流の拡散効率が落ちるのを補完する役割を担う。
【００１４】
また、上記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記発光構造物が２以上のトレンチを有する場合、前記ｎ型電極を中心に、隣接するトレンチが等間隔で離隔配置されることが好ましい。
【００１５】
また、上記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記トレンチは、前記発光構造物のｎ型窒化ガリウム層と活性層がメサエッチングされて形成される、または、前記発光構造物のｎ型窒化ガリウム層、活性層及びｐ型窒化ガリウム層がメサエッチングされて形成されることが好ましい。
【００１６】
また、上記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極は、反射率の高い導電体からなる、または、透明電極及び反射電極が順次積層された構造からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、発光構造物内にトレンチを形成し、活性層で生成された光子が側面に放出される水平経路を短縮することによって、ｐ型電極と発光面との間で光子の全反射回数を減少させ、且つ、臨界角を大きくし、光放出特性を向上させることができる。
【００１８】
したがって、本発明によれば、垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の外部量子効率を極大化し、輝度を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図面に基づき、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者が容易に実施できるよう、詳細に説明する。
【００２０】
図面中、多数の層及び領域は、より明確な表現のためにその厚さを拡大して示し、同一の構成要素及び部分には同一の参照符号を付する。
【００２１】
以下、本発明の一実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
まず、図４乃至図７を参照して、本発明の第１実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について詳細に説明する。
【００２３】
図４は、本発明の第１実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図であり、図５は、図４の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示す平面図であり、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ′線に沿った断面図であり、図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ′線に沿った断面図である。
【００２４】
図４乃至図７を参照すると、本発明の第１実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の最上部には、外部素子との電気的な接続のためのｎ型ボンディングパッド１１０が形成されている。
【００２５】
このｎ型ボンディングパッド１１０の下面には、光効率を向上させるためのｎ型電極１２０が形成されている。特に、本実施形態では、図５に示すように、ｎ型電極１２０から１以上のｎ型枝電極１２０ａが延びている。ｎ型枝電極１２０ａは、後述するトレンチ２００と重ならない方向に延びていることが好ましく、ｎ型枝電極１２０ａは、トレンチ２００によって発光構造物の端部への電流の拡散効率が低下するのを補う役割を担う。
【００２６】
また、ｎ型電極１２０は、電極の機能及び反射の機能を同時に果たすことが好ましく、したがって、本実施形態では、ｎ型電極１２０を、反射率の高い導電体で形成する、または、透明電極及び反射電極が順次積層された構造（図示せず）にすることができる。
【００２７】
ｎ型電極１２０の下面では、ｎ型窒化ガリウム層１３０と、活性層１４０と、ｐ型窒化ガリウム層１５０が下方へ順次積層されて発光構造物を形成している。
【００２８】
この発光構造物のうち、ｎ型窒化ガリウム層１３０は、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成され、活性層１４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層からなる多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造で形成され、ｐ型窒化ガリウム層１５０は、ｎ型窒化ガリウム層１３０と同様に、ｐ型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成されることができる。
【００２９】
また、本実施形態による発光構造物は、内部に、活性層１４０で生成された光子の水平経路を短縮させるために、発光構造物の最外郭辺からｎ型電極１２０の方向に、該ｎ型電極１２０と所定間隔離れるように活性層１４０が除去されて形成された１以上のトレンチ２００を有する。ここで、発光構造物の活性層１４０が除去されたトレンチ２００は、発光構造物のｎ型窒化ガリウム層１３０及び活性層１４０がメサ（ｍｅｓａ）エッチングされてなるか、または、発光構造物のｎ型窒化ガリウム層１３０、活性層１４０及びｐ型窒化ガリウム層１５０がメサエッチングされてなる。
【００３０】
また、発光構造物が２以上のトレンチ２００を有する場合、ｎ型電極１２０を中心に、隣接するトレンチ２００間に等間隔で配置し、電流拡散効率を向上させることが好ましい。例えば、図５に示すように、２つのトレンチ２００を有する場合には、ｎ型電極１２０を中心に両側に対応するようにトレンチ２００をそれぞれ配置し、電流拡散効率を向上させることが好ましい。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、発光構造物は、内部に形成されたトレンチ２００によって、活性層で生成された光子が側面に発光するための水平経路が、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の水平経路（図３参照）に比べてトレンチ２００の幅だけ短縮される。したがって、図６に示すように、水平経路を通って側面に発光する光子の全反射回数は、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の全反射回数に比べてより減少し、臨界角βもまた、従来技術による臨界角αに比べてより大きくなるため、側面に発光する光子の外部量子効率を極大化できるという利点がある。
【００３２】
一方、図面では、トレンチ２００の形成により、発光構造物の内側壁全体、すなわち、ｎ型窒化ガリウム層１３０、活性層１４０及びｐ型窒化ガリウム層１５０の内側壁が露出されているが、これに限定されるものではなく、発光構造物のうちｎ型窒化ガリウム層１３０と活性層１４０の内側壁のみが露出されてもよい。
【００３３】
また、発光構造物のｐ型窒化ガリウム層１５０の下面には、ｐ型電極１６０が形成されている。このｐ型電極１６０もｎ型電極１２０と同様に、電極の機能及び反射の機能を同時に果たすことが好ましい。したがって、本実施形態において、ｐ型電極１６０は、反射率の高い導電体で形成される、または、透明電極及び反射電極が順次積層された構造（図示せず）で形成すればよい。
【００３４】
続いて、ｐ型電極１６０の下面には、シリコン（Ｓｉ）基板からなる構造支持層１７０が形成されている。
【００３５】
本実施形態では、構造支持層１７０をシリコン基板としているが、これに限定されるものではなく、構造支持層は、最終的なＬＥＤ素子の支持層及び電極としての役割を果たすものはいずれも使用できる。例えば、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板、メッキ層または金属層等を使用することができる。
【００３６】
なかでも、金属層は、熱蒸着（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、電子線蒸着（ｅ−ｂｅａｍ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、スバッター（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）などの方法で形成されたものが使用可能である。
【００３７】
＜第２実施形態＞
以下、図８及び図９を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。ただし、第２実施形態を説明に当たり、第１実施形態と同じ構成部分についての説明は省略するものとする。
【００３８】
図８は、本発明の第２実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図であり、図９は、図８の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示す平面図である。
【００３９】
図８及び図９を参照すると、第２実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、第１実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子と略同様に構成され、ただし、内側壁が露出されるように発光構造物内に形成されるトレンチ２００が、ｎ型電極１２０を中心に、両側にそれぞれ対応するように合計４個が形成されている点と、これに応じて、電流拡散効率を増加させるために、ｎ型枝電極１２０ａがｎ型電極１２０からトレンチ２００と重ならない方向に４個延設されているという点が、第１実施形態と異なる。
【００４０】
したがって、第２実施形態もまた、第１実施形態と同様に、接着層と透明層を備えているため、第１実施形態と同じ作用及び効果が得られる。
【００４１】
また、第２実施形態は、発光構造物内に、各辺からトレンチが形成されている、すなわち、４個のトレンチが形成されているため、活性層で生成された光子が側面に放出される水平経路を、第１実施形態に比べて発光構造物のいずれの辺においても短縮でき、外部量子効率をより極大化させることができるという利点がある。
【００４２】
以上では具体的な実施形態に上げて本発明を説明してきたが、上記実施形態から様々な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明らかである。したがって、本発明の権利範囲は、上記の具体例に限定されるものではなく、添付の請求範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者による種々の変形及び改良形態も、本発明の権利範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図である。
【図２】図１の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示す平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ′線に沿った断面図であり、従来技術による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示す。
【図４】本発明の第１実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図である。
【図５】図４の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示す平面図である。
【図６】図５に示す垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子のＶＩ−ＶＩ′線に沿った断面図である。
【図７】図５に示す垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子のＶＩＩ−ＶＩＩ′線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態による垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図である。
【図９】図８の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を詳細に示す平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１１０  ｎ型ボンディングパッド
１２０  ｎ型電極
１２０ａ  ｎ型枝電極
１３０  ｎ型窒化ガリウム層
１４０  活性層
１５０  ｐ型窒化ガリウム層
１６０  ｐ型電極
１７０  構造支持層
２００  トレンチ
【図１】
2007150314.tif 000003
【図２】
2007150314.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007150314.tif 000007
【図６】
2007150314.tif 000008
【図７】
2007150314.tif 000009
【図８】
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【図９】
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