(57)【要約】【課題】発光輝度の更なる向上を図ることができるパターン基板及び該パターン基板を用いた発光ダイオードを提供すること。【解決手段】発光ダイオード５は、パターン基板２と、パターン基板２の上面２１に形成されたエピタキシャル層構造体３と、エピタキシャル層構造体３上に形成された電極ユニット４とを備えている。パターン基板２は、上面２１から下向きに窪んだ凹部形成面２２により画成され、互いに離間して設けられた複数の凹部２５と、各凹部形成面２２は、上面２１より下向きに延伸される周面２４と、該周面２４と共に凹部２５を画成する底面２３とを有し、複数の凹部２５のそれぞれの底面２３より突起２６が上向きに突出して形成されている。【選択図】図５
2012074701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル成長法を用いて発光ダイオードを製造するためのパターン基板であって、該パターン基板が、
成長面とする上面から下向きに窪んだ凹部の形成面により画成され、また、それぞれが互いに離間して設けられ、さらに、該上面より下向きに延伸された周面と該周面と共に該凹部を画成する底面とを有する、複数の凹部と、
各該凹部の該底面よりそれぞれ上向きに突出して形成された複数の突起と、
を備えていることを特徴とする、パターン基板。
【請求項２】
各前記凹部における前記凹部形成面の前記底面の直径が２〜７μｍであり、かつ、隣接する前記凹部同士の中心間距離が各前記底面の直径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のパターン基板。
【請求項３】
前記突起が、対応する前記凹部において前記周面と離間して設けられ、前記突起の最大横断面の直径が７μｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパターン基板。
【請求項４】
前記凹部において、前記上面から前記底面までの深さが０．５μｍかた５μｍであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のパターン基板。
【請求項５】
前記突起の高さが、前記凹部の深さ以下であり、かつ、前記凹部の深さの半分以上であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のパターン基板。
【請求項６】
サファイア基板を用い、
前記パターン基板の前記上面と前記凹部の前記底面とが、該サファイア基板のＣ（０００１）面であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のパターン基板。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のパターン基板と、
前記パターン基板の前記上面に前記エピタキシャル成長法を用いて形成されたエピタキシャル層構造体と、
該エピタキシャル層構造体と電気的に接続された電極ユニットと、
を備えていることを特徴とする、発光ダイオード。
【請求項８】
前記エピタキシャル層構造体が、三族元素及び五族元素を含む半導体化合物から形成されることを特徴とする、請求項７に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン基板と、パターン基板を用いた発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光ダイオード（ＬＥＤ）はディスプレイのバックライトモジュールや交通信号機、照明装置等に広く応用されている。照明装置における光源や光エネルギー供給源としてＬＥＤを用いる場合、充分な輝度が提供できるかは基本的な課題である。そこで輝度向上のための技術として、図１、２に示すような、主にサファイアを用いて作られた基板１１と、エピタキシャル成長法により基板１１上に形成されたエピタキシャル層構造体１２と、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ接触電極１３及びＮｉ／Ａｕ接触電極１４とを含んだ発光素子を使う技術を本願発明者達はすでに提案している（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
当該基板１１はパターン化されており、成長面とする上面１１１と、該上面１１１から下向きに窪んだ凹部形成面により画成され且つ互いに離間して設けられた複数の凹部１１２と、を備えている。各凹部１１２の深さは１．５μｍ、直径は３μｍであり、隣接する凹部同士の中心間距離は３μｍ以上である（例えば５μｍ）。
【０００４】
エピタキシャル層構造体１２は主にＧａＮ素材で作られており、凹部１１２が充満されるように、基板１１の上面１１１に形成されている。エピタキシャル層構造体１２は、基板１１より順に、基板１１の上面１１１に形成されたｎ形半導体層１２１と、一部がｎ形半導体層１２１を覆うように形成され、通電後に所定の波長幅で発光する発光層１２２と、発光層１２２を覆うように形成されたｐ形半導体層と、からなっている。
【０００５】
Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ接触電極１３はｎ形半導体層１２１上に、Ｎｉ／Ａｕ接触電極１４はｐ形半導体層１２３上にそれぞれ設けられており、エピタキシャル層構造体１２に電力を供給するために用いられる。Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ接触電極１３とＮｉ／Ａｕ接触電極１４に外部電力が供給されると、電力はn形半導体層１２１、発光層１２２及びｐ形半導体層１２３に流れ、光エネルギーとして外部に放射される。
【０００６】
上記発光素子において、基板１１上に複数の凹部１１２を設け、発光層１２２から基板１１へ放射された光が基板１１の上面１１１と凹部１１２に到達すると、上面１１１と凹部１１２とにより光を一回以上反射することができるので、該発光素子の輝度をパターン化されていない基板の輝度よりも高くすることができ、また、複数の凹部１１２によりエピタキシャル層構造体１２における転移等の結晶欠陥をも改善することができるので、内部量子効率が上がり、発光素子の輝度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】台湾特許第Ｉ２３６７７３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
パターン基板１１の凹部１１２において光の進行方向を変えることにより発光輝度を向上させることができ、また、パターン基板１１によりエピタキシャル層構造体１２の品質を向上させることができる。しかしながら、更なる輝度向上を目指した研究は、パターン基板の新たなパターン開発によりなおも続けられている。
【０００９】
本発明は、発光輝度の更なる向上を図ることができるパターン基板及び該パターン基板を用いた発光ダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、エピタキシャル成長法を用いて発光ダイオードを製造するためのパターン基板であって、成長面とする上面から下向きに窪んだ凹部形成面により画成された複数の凹部であって、複数の前記凹部が互いに離間して設けられ、各前記凹部形成面は、前記上面より下向きに延伸される周面と、該周面と共に前記凹部を画成する底面とを有する複数の凹部と、各前記凹部の前記底面よりそれぞれ上向きに突出して形成された複数の突起とを備えていることを特徴とするパターン基板を提供する。
【００１１】
また、本発明は、前記パターン基板と、前記パターン基板の上面にエピタキシャル成長法を用いて形成されたエピタキシャル層構造体と、前記エピタキシャル層構造体と電気的に接続された電極ユニットとを備えていることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【発明の効果】
【００１２】
以上の構成によれば、複数の凹部のそれぞれにおいて、各凹部形成面の底面上に周面から離間して突起が設けられているので、入射した光をパターン基板の上面、凹部形成面及び突起の表面で反射させることができる。これにより、従来のパターン基板より多くの光が反射されるので、発光輝度をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来例のパターン基板の平面図である。
【図２】従来例のパターン基板を用いた発光ダイオードを概略的に示す側面図である。
【図３】本発明による一実施の形態のパターン基板を示す平面図である。
【図４】図３のパターン基板を概略的に示す縦断面図である。
【図５】本発明によるパターン基板を用いた発光ダイオードの一実施の形態を概略的に示す側面図である。
【図６（ａ）】図２の従来例の発光ダイオードの放射強度分布曲線である。
【図６（ｂ）】本発明による発光ダイオードの放射強度分布曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。
【００１５】
図３及び図４では本発明によるパターン基板２の好ましい態様が示されている。パターン基板２は、エピタキシャル成長法を用いて発光ダイオードを製造するためのパターン基板であり、サファイア基板を用いて、成長面とする上面２１と、互いに離間して設けられた複数の凹部２５と、複数の突起２６などを備えるように構成される。なお、この形態において、サファイア基板の成長面とする上面２１はサファイア基板のＣ（０００１）面である。
【００１６】
各凹部２５は、上面２１から下向きに窪んだ凹部形成面２２により画成され、凹部形成面２２は、上面２１に続いて下向きに延伸される周面２４と、該周面２４の下周縁２３１により画成される底面２３とからなり、底面２３にはそれぞれ突起２６が上向きに突出して形成されている。
【００１７】
当該実施形態では、複数の凹部２５のそれぞれの底面２３は上面視で円形を呈し且つ上面２１と平行であり、故に底面２３はサファイア基板のＣ（０００１）面である。各凹部２５の周面２４はそれぞれ上面２１側に対して底面２３側に窄んでおり、各凹部２５の形状は略円錐台状を呈す。底面２３はそれぞれ直径が２μｍ〜７μｍであり、上面２１からの深さが０．５μｍ〜５μｍである。隣接する凹部２５同士の中心間距離は各底面２３の直径よりも大きい。
【００１８】
突起２６はそれぞれ、横断面が略円形であり、底面２３側に対して上面２１側に窄む略円錐台状となる。突起２６の最大横断面は直径が７μｍ以下であり、且つ対応する凹部２５において凹部形成面２２の周面２４と離間して設けられている。さらに、突起２６の高さは底面２３の深さ以下であり、且つ底面２３の深さの半分以上なので、突起２６は上面２１より外面に突き出ることはない。
【００１９】
以下に凹部２５と突起２６の形成方法を具体的に説明する。この実施形態では、サファイア基板のＣ（０００１）面である上面２１に同心円パターンを有するエッチングマスクを配置してから、ドライエッチング法を用いてサファイア基板に凹部２５と突起２６とを形成する。同心円パターンを有するエッチングマスクを使用することにより、突起２６をそれぞれ対応する底面２３の幾何学的中心に形成することができる。このように作成されたパターン基板２を上面視すると、各凹部２５において周面２４、底面２３及び突起２６の上面は同心円を呈すようになる（図３参照）。
【００２０】
なお、本実施例では、底面２３、周面２４及び突起２６は横断面が略円形を呈しているが、これらは略円形に限定されるものではなく、四角形や五角形などの多角形に形成されてもよい。
【００２１】
図５に示すように、エピタキシャル成長法を用いてパターン基板２の上面に形成されたエピタキシャル層構造物３に、電極ユニット４を設けると、本発明による発光ダイオード５が形成される。パターン基板２に関しては上述した通りであり詳細な説明は省く。
【００２２】
エピタキシャル層構造物３は三族元素及び五族元素を含む半導体化合物、例えばＧａＮ系半導体材料で作られ、基板２側から順に、基板２の上面２１に形成され凹部２５を充満するように設けられたｎ形半導体層３１と、発光層３２と、ｐ形半導体層３３からなっている。この例では、ｎ形半導体層３１としてはｎ−ＧａＮ、ｐ形半導体層３３としてはｐ−ＧａＮにより構成されることが好ましい。
【００２３】
電極ユニット４は、ｎ形半導体層３１と電気的に接続されるようにｎ形半導体層３１上に形成された第１電極４１と、ｐ形半導体層３３と電気的に接続されるようにｐ形半導体層３３上に形成された第２電極４２とから構成され、外部電力（図示せず）と電気的に接続できるようになっている。
【００２４】
電極ユニット４が前記外部電源に接続されると、電力はｎ形半導体層３１とｐ形半導体層３３を経由して発光層３２に転送され、発光層３２により光エネルギーに転換されて発光する。発光層３２からｐ形半導体層３３への光は電極４２を通過して外部に放射される。一方、発光層３２からｎ形半導体層３１への光は基板２の上面２１、周面２４、底面２３及び突起２６にて反射や回折されて上方へ向かって放射される。
【００２５】
以上のように本発明における発光ダイオード５は、パターン基板２に複数の凹部２５のそれぞれに突起２６が設けられていることにより、エピタキシャル層構造体３における転移等の結晶欠陥を改善することができ、また、エピタキシャル層構造体３からの発光を、パターン基板２の凹部２５及び突起２６によって反射、回折して従来よりも効率よく上方へ射出させることができるので、本発明による発光ダイオード５の主な照明方向における輝度を向上させることができる。
【００２６】
図６（ａ）は図1に示したパターン基板１１を用いた従来例の発光ダイオードの放射強度分布曲線であり、従来の発光ダイオードの放射強度が１.８ｍＷ／ｓｒであることを示している。図６（ｂ）は本発明による発光ダイオードの放射強度分布曲線であり、本発明による発光ダイオードの放射強度が２．０ｍＷ／ｓｒであることを示している。図６（ａ）及び図６（ｂ）により、本発明による発光ダイオード５は、従来の発光ダイオードよりも約１０％高い輝度（放射強度）を得ることが分かる。
【００２７】
以上により、パターン基板２に突起２６を備えた凹部２５を複数有することによって、エピタキシャル層構造体３からの発光が、従来よりも主な照明方向（上方）へ効率よく反射され、回折されることができる。これにより、本発明による発光ダイオード５の輝度をより一層向上させることができる。また、パターン基板２に突起２６を備えた凹部２５を複数形成していることによりエピタキシャル層構造体３における転移等の結晶欠陥をも改善することができるので、発光ダイオード５の品質の向上を図ることができる効果を有する。
【００２８】
本発明を、最も実際的であり、また、好ましい実施態様に関して説明してきたが、本発明は上記実施態様には限定されず、最も広い解釈の精神および範囲の中に含まれる種々の変更、並びに均等な変更を網羅していることが意図されていると理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によるパターン基板及び発光ダイオードは、輝度の向上を図る発光素子の製造に有用であるので、照明に関する様々な分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
２    パターン基板
３    エピタキシャル層構造体
４    電極ユニット
５    発光ダイオード
２１    上面
２２    凹部形成面
２３    底面
２４    周面
２５    凹部
２６    突起
３１    ｎ形半導体層
３２    発光層
３３    ｐ形半導体層
４１    第１電極
４２    第２電極
２３１    下周縁
【図１】
2012074701.tif 000003
【図２】
2012074701.tif 000004
【図３】
2012074701.tif 000005
【図４】
2012074701.tif 000006
【図５】
2012074701.tif 000007
【図６（ａ）】
2012074701.tif 000008
【図６（ｂ）】
2012074701.tif 000009