(57)【要約】【課題】本発明は、横方向エピタキシャル成長方式によって半導体構造内の積層欠陥と転位密度の低下を抑制するのに有効であり、発光層の結晶品質を高め、漏れ電流を減少させ、同時に半導体構造表面に粗化構造を形成して外部量子効率を高めることができるナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードは、基板と、基板上に位置する接合金属層と、接合金属層上に位置する第一電極と、第一電極上に位置し横方向エピタキシャル成長により形成される半導体構造と、半導体構造上に位置する第二電極であり、上述の半導体構造は第二電極によって被蓋していない上表面にナノスケール粗化構造を形成する第二電極と、を含む。【選択図】図１
2012231104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に位置する接合金属層と、
前記接合金属層上に位置する第一電極と、
前記第一電極上に位置し、横方向のエピタキシャル成長によって形成される半導体構造と、
第二電極であり、前記半導体構造上に位置し、前記半導体構造は前記第二電極により被蓋していない上表面がナノスケール粗化構造を形成する第二電極と、
を含むことを特徴とするナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード。
【請求項２】
前記半導体構造は、
ｐ型３−５族半導体層と、
ｎ型３−５族半導体層と、
前記ｐ型３−５族半導体層と前記ｎ型３−５族半導体層の間に位置し、多重量子井戸構造を有する発光半導体層と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード。
【請求項３】
前記ナノスケール粗化構造は規則的或いは不規則的なナノメートルサイズの幾何学パターンであることを特徴とする、請求項１に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード。
【請求項４】
前記ナノスケール粗化構造は、規則的なナノメートルサイズの円形か楕円形か多辺形であることを特徴とする、請求項１に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード。
【請求項５】
前記ナノスケール粗化構造は、規則的なナノメートルサイズの幾何学パターンであり、ナノスケール粗化構造の構造周期或いは構造サイズは０．０１〜０．９ナノメートルであることを特徴とする、請求項１に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード。
【請求項６】
前記半導体構造はナノスケール粗化構造を有するエピタキシャル基板上に横方向エピタキシャル成長後に剥離して形成されたもので、前記ナノスケール粗化構造は前記エピタキシャル基板上のナノスケールパターンと対応することを特徴とする、請求項１に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード。
【請求項７】
エピタキシャル基板を提供し、その上にナノスケールパターン化酸化シリコン層を形成する工程と、
前記ナノスケールパターン化酸化シリコン層上において横方向エピキシーによって半導体構造を形成し、前記半導体構造の底表面にナノスケール粗化構造を形成し、それを前記ナノスケールパターン化酸化シリコン層のパターンに対応させる工程と、
前記半導体構造上において第一電極を形成する工程と、
第二基板を提供し、前記第二基板上に接合金属層を形成する工程と、
前記第一電極を前記接合金属層上に接合した後、前記エピタキシャル基板を取り除き、前記半導体構造の前記ナノスケール粗化構造を露出させる工程と、
前記半導体構造上において第二電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、ナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの製造方法。
【請求項８】
前記ナノスケールパターン化酸化シリコン層の製造工程は、
前記エピタキシャル基板上において酸化シリコン層とナノスケール金属層を順に形成する工程と、
前記エピタキシャル基板に対してアニーリングプロセスを施し、前記ナノスケール金属層の金属粒子が自ら凝集してナノスケールマスクを形成する工程と、
マスクとして前記ナノスケールマスク用いて前記酸化シリコン層に対してエッチングを行い、その後前記ナノスケールマスクを取り除き、前記ナノスケールパターン化酸化シリコン層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、請求項７に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの製造方法。
【請求項９】
前記半導体構造を堆積形成する工程は、
ｎ型３−５族半導体層を堆積させる工程と、
発光半導体層を堆積させ、前記発光半導体層は多重量子井戸構造を有するようにする工程と、
ｐ型３−５族半導体層を堆積させる工程と、
を含むことを特徴とする、請求項７に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
前記エピタキシャル基板を取り除く工程はレーザー剥離方を利用して達成することを特徴とする、請求項７に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの製造方法。
【請求項１１】
前記ナノスケール粗化構造は、規則的或いは不規則的なナノメートルサイズの幾何学図形であることを特徴とする、請求項７に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
前記ナノスケール粗化構造は規則的なナノメートルサイズの円形か楕円形か多辺形であることを特徴とする、請求項７に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの製造方法。
【請求項１３】
前記ナノスケール粗化構造は、規則的なナノメートルサイズの幾何学図形であり、ナノスケール粗化構造の構造周期或いは構造サイズは０．０１〜０．９ナノメートルであることを特徴とする、請求項７に記載のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜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】
本発明は薄膜発光ダイオード及びその製造方法に関するものであって、特にナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー剥離方式を利用して製造した窒化ガリウム系発光ダイオード（Thin-GaN LED）は、発光ダイオードのチップ段階における放熱を増加するのに有効であり、LEDの加熱効果によって生じる効率低下(droop)を緩和し、また一方では発光面積を拡大するので、現在のハイパワーLEDのトレンドとなっている。しかし、非特許文献１によると、レーザー剥離方式後に生じた応力開放により、転位欠陥現象が増加することがあり、発光効率が悪くなるだけでなく、素子の長時間の操作における寿命時間に影響することが実験により発見された。この特許は、窒化ガリウムのエピタキシーの品質を向上させ、光抽出効率を高める方式を教示したものであるが、その製造工程は繁雑で実現が容易ではない。非特許文献２と非特許文献３では、パターン化されたサファイア基板を利用して発光ダイオードを製造すると、光抽出効率を増加できる以外に、エピタキシー時の転位欠陥密度を減少できることが述べられている。非特許文献４では、ナノスケールパターン化されたサファイア基板を利用して発光ダイオードを製造すると、エピキタシー時の窒化ガリウムの品質を更に向上できることが述べられているが、製造工程中で黄色光リソグラフィを用いてエッチングパターンを作成する必要があり、プロセスの複雑度が増すだけでなく、製造コストも高くなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Yewchung Sermon Wu、 Ji-Hao Cheng、Wei Chih Peng  著、“Effects of laser sources on the reverse-bias leakages of laser lift-off GaN-based light-emitting diodes, ” APPLIED PHYSICS LETTERS 90、2007年、251110。
【非特許文献２】D. S. Wuu、W. K. Wang、 W. C. Shih、 R. H. Horng、 C. E. Lee、W. Y. Lin、J. S. Fang  著、“Enhanced Output Power of Near-Ultraviolet,”、 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、2005年2月、VOL. 17, NO. 2。
【非特許文献３】Y. J. Lee、 J. M. Hwang、T. C. Hsu、 M. H. Hsieh、 M. J. Jou、 B. J. Lee、T. C. Lu、 H. C. Kuo, Member, IEEE、S. C. Wang, Senior Member, IEEE  著、“Enhancing the Output Power of GaN-Based LEDs Grown on Wet-Etched Patterned Sapphire Substrates,”、 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、2006年5月15日、VOL. 18, NO. 10。
【非特許文献４】Haiyong Gao、a_ Fawang Yan、 Yang Zhang、Jinmin Li、Yiping Zeng、Guohong Wang  著、“Enhancement of the light output power of InGaN GaN light emitting diodes grown on pyramidal patterned sapphire substrates in the micro and nanoscale,”、 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103、2008年、014314。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上述の公知技術の欠点に対して、上述の問題を克服すべく、ナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード及びその製造方法を提案する。本発明の主な目的は、ナノスケールパターン化された酸化シリコン層を有するエピタキシャル基板上において、横方向エピタキシャル成長技術を用いて半導体構造を製造し、半導体構造のエピタキシャル成長時の積層欠陥を抑止し、貫通転位密度を低下させ、発光半導体層の結晶品質を高めるのに有効なナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード及びその製造方法を提供することである。
【０００５】
本考案のもう１つの目的は、半導体構造の発光面について再度表面の粗化の必要が無く、外部量子効率を高めることができるナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード及びその製造方法を提供することである。
【０００６】
本考案の更なる目的は、その製造過程において黄色光リソグラフィによってエッチングパターンを作成する必要がなく、製造工程の複雑度を大幅に下げ、製造コストも削減できるナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明の提供するナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードは、基板と、基板上に位置する接合金属層と、接合金属層上に位置する第一電極と、第一電極上に位置して横方向のエピタキシャル成長によって形成される半導体構造と、第二電極であり半導体構造上に位置して上述の半導体構造は第二電極により被蓋していない上表面がナノスケール粗化構造を形成する第二電極と、を含む。
【０００８】
本発明の提案するナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの製造方法は、エピタキシャル基板を提供して、その上にナノスケールパターン化酸化シリコン層を形成する工程と、ナノスケールパターン化酸化シリコン層上において横方向エピタキシーによって半導体構造を形成し、半導体構造の底表面にはナノスケール粗化構造を形成して、それをナノスケールパターン化酸化シリコン層のパターンに対応させる工程と、半導体構造上において第一電極を形成する工程と、第二基板を提供して第二基板上に接合金属層を形成する工程と、第一電極を接合金属層上に接合した後にエピタキシャル基板を取り除いて半導体構造のナノスケール粗化構造を露出させる工程と、半導体構造上において第二電極を形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の提供するナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード及びその製造方法によると、ナノスケールパターン化された酸化シリコン層を有するエピタキシャル基板上において、横方向エピタキシャル成長技術を用いて半導体構造を製造することで、半導体構造のエピタキシャル成長時の積層欠陥を有効に抑止し、貫通転位密度を低下させ、発光半導体層の結晶品質を高めることができる。また、本発明の製造工程では、半導体構造の発光面は再度表面の粗化の必要が無く、外部量子効率を高めることができる。本発明の全体的な構造は、レーザー剥離方式を用いた薄膜発光ダイオードの製造に有利であり、製造工程での収率を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明の製造過程全体においては、黄色光リソグラフィによってエッチングパターンを作成する必要が無く、製造工程の複雑度を大幅に下げ、製造コストも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの構造を示す図。
【図２ａ】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの各工程の断面を示す図。
【図２ｂ】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの各工程の断面を示す図。
【図２ｃ】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの各工程の断面を示す図。
【図２ｄ】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの各工程の断面を示す図。
【図２ｅ】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの各工程の断面を示す図。
【図２ｆ】本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの各工程の断面を示す図。
【図３】本発明が形成するナノスケールパターン化酸化シリコン層の走査型電子顕微鏡断面画像図。
【図４ａ】従来の薄膜発光ダイオードの透過型電子顕微鏡断面画像。
【図４ｂ】本発明の薄膜発光ダイオードの透過型電子顕微鏡断面画像。
【図５ａ】本発明の薄膜発光ダイオードのコンタクトモードの導電性原子間力顕微鏡画像。
【図５ｂ】従来の薄膜発光ダイオードのコンタクトモードの導電性原子間力顕微鏡画像。
【図６】本発明の薄膜発光ダイオードと従来の薄膜発光ダイオードの電流と光出力強度のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の目的、技術内容、特徴、達成する効果の更なる理解のために、以下に具体的な実施例を挙げて詳しく説明する。
【実施例】
【００１３】
図１は本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの構造を示す図である。図が示すように、本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードは、基板１２と、基板１２上に位置する接合金属層１４と、接合金属層１４上に位置する第一電極１６と、第一電極１６上に位置する半導体構造１８と、半導体構造１８上に位置する第二電極２０であり、その半導体構造１８は第二電極２０により被蓋していない上表面にナノスケール粗化構造２２を形成する第二電極２０と、を含む。
【００１４】
上述の接合金属層１４は二層構造であり、下から上の順にチタン層と金層となる。上述の第一電極１６は三層構造が可能であり、下から上の順に、金層、プラチナ層、クロム層となる。このため、接合金属層１４の金層は第一電極１６の金層に接触する。上述の第二電極２０は二層構造が可能であり、下から上の順に、金層とクロム層となる。基板１２は放熱性により優れたシリコン基板或いは金属基板を採用する。
【００１５】
上述の半導体構造１８は電気ショックを受けて光線を発し、半導体構造１８は、ｐ型３−５族半導体層２４と、表面に上述のナノスケール粗化構造２２を形成するｎ型３−５族半導体層２６と、ｐ型３−５族半導体層２４とｎ型３−５族半導体層２６の間に位置し、多重量子井戸構造（multi-quantum well）を有する発光半導体層２８と、を含む。また、ここに述べる３−５族半導体層の材料は窒化ガリウム或いはガリウムリンである。
【００１６】
上述のナノスケール粗化構造２２は規則的或いは不規則的なナノメートルサイズの幾何学パターンである。ナノスケール粗化構造２２が規則的である時、その幾何学パターンはナノメートルサイズの円形か楕円形か多辺形であり、且つ、構造周期或いは構造サイズは０．０１〜０．９ナノメートルである。
【００１７】
本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード１０は、ｎ型３−５族半導体層２６の表面にナノスケール粗化構造２２を形成し、発光ダイオード全体の光抽出効率（light extraction efficiency）をさらに強化し、発せられた光線もほぼ設定されたピーク値の波長範囲に位置する。
【００１８】
図２ａから図２ｆは上述の本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードを製造するの各工程の断面を示す図である。まず図２ａが示すように、エピタキシャル基板３０を提供し、エピタキシャル基板表面に厚さ２００ナノメートルの二酸化シリコン層３２を蒸着した後、二酸化シリコン層３２上に厚さ５０ナノメートルのニッケル層３４を蒸着する。  
【００１９】
その後、８５０℃のアニーリングプロセスを1分間施し、ニッケル層のニッケル粒子が自ら凝集してナノスケールマスク（mask）を形成する。マスクとしてこのナノスケールマスク用いて酸化シリコン層に対してエッチングを行う。例えば、反応性イオンエッチングシステムによって３分間エッチングを行った後、硝酸を用いてこのナノスケールマスクを除去し、図２ｂが示すように、ナノスケールパターン化酸化シリコン層３６を形成する。ナノスケールパターン化酸化シリコン層３６のパターン部分の直径は約１００ナノメートル〜１５０ナノメートルである。
【００２０】
有機金属化学気相堆積法を利用して、ナノスケールパターン化酸化シリコン層３６上においては、図２ｃが示すように、順に、ｎ型３−５族半導体層２６をエピタキシャル成長させ、多重量子井戸構造を有する発光半導体層２８を堆積させ、上述の半導体構造１８を形成するｐ型３−５族半導体層２４を堆積させる。このｎ型３−５族半導体層２６の底表面には上述のナノスケール粗化構造２２が形成され、ナノスケールパターン化酸化シリコン層３６のパターンに対応する。エピタキシャル基板３０の材質はサファイア等の格子定数と半導体構造の格子定数が近似する基板材質である。
【００２１】
また、上述の半導体構造１８のエピタキシャル成長が順調に進み、半導体構１８が形成される前に、まずエピタキシャル基板３０上に厚さ５０ナノメートルの窒化ガリウム緩衝層（図中未表示）を形成する。
【００２２】
上述の半導体構造１８は、ナノスケールパターン化酸化シリコン層３６上に横方向エピタキシャル成長によって形成されたものであるため、エピタキシャル成長過程で生じる積層欠陥（stacking fault）の発生抑止に有効であり、貫通転位密度（threading dislocation density）を低下させ、発光半導体２８の結晶品質を高めて漏れ電流を減少させる。また、本発明の半導体構造２８のｎ型３−５族半導体層２６の発光面は既に表面粗化構造を有しているので、再度粗化する必要は無く外部量子効率を高めることができる。
【００２３】
次に、図２ｄが示すように、半導体構造１８上には上述の第一電極１６を形成し、その形成方法は物理或いは化学気相堆積法である。
【００２４】
その後、図２ｅが示すように、表面上に上述の接合金属層１４を形成した基板１２を提供する。第一電極１６を高温高圧で一定時間接合金属層１４上に接合する。
【００２５】
レーザー剥離方式（laser lift-off）を利用してエピタキシャル基板３０とその上のナノスケールパターン化酸化シリコン層３６を半導体構造１８上から除去する。例えば、このレーザー剥離方式はエキシマレーザーを使用したもので、その波長は２４８ナノメートルであり、パルス幅は２５nsであり、このエキシマレーザーは緩衝層を照射並びに破壊し、エピタキシャル基板とその上のナノスケールパターン化酸化シリコン層及び半導体構造を分離させることで、除去を達成する。
【００２６】
その後、順に、硝酸等の酸性溶液とプラズマによって半導体構造１８表面上に残った窒化ガリウム緩衝層に対してエッチング除去を行う。ナノスケール粗化構造２２を部分除去するとともに、その上に第二電極２０を形成し、図２ｆが示すように、本発明の発光ダイオードが完成する。
【００２７】
更に、半導体構造上に第二電極を形成する工程の前には、誘導結合プラズマ（inductive coupled plasma）を利用して半導体構造表面から下に向かって第一電極までエッチングし、数個の発光ダイオードダイスを区切って形成する工程が含まれる。
【００２８】
図３は本発明が形成するナノスケールパターン化酸化シリコン層の走査型電子顕微鏡断面画像図である。図が示すように、ナノスケールパターン化酸化シリコン層は直径約１００ナノメートル〜１５０ナノメートルのナノメートル柱状パターンを呈する。
【００２９】
図４ａは従来の薄膜発光ダイオードの透過型電子顕微鏡断面画像であり、図４ｂは本発明の薄膜発光ダイオードの透過型電子顕微鏡断面画像である。両者を比較すると従来の発光ダイオードの方が高い貫通転位密度（threading dislocation density）を有することがわかる。
【００３０】
図５ａは本発明の薄膜発光ダイオードのコンタクトモードの導電性原子間力顕微鏡画像であり、図５ｂは従来の薄膜発光ダイオードのコンタクトモードの導電性原子間力顕微鏡画像である。両者を比較すると、従来の発光ダイオードの漏れ電流範囲は本発明に比べはるかに大きいことがわかる。
【００３１】
図６は本発明の薄膜発光ダイオードと従来の薄膜発光ダイオードの電流と光出力強度のグラフである。如何なる電流値が加えられた状況下においても、光出力については本発明のナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオードの方が従来の薄膜発光ダイオードより優れていることがこのグラフからわかる。
【００３２】
以上に述べた内容は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施範囲を限定するものではない。本発明の精神から離れない範囲で加えた変更や潤色は全て、本発明の特許保護範囲内に属するものとする。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ナノスケール横方向エピタキシャル成長の薄膜発光ダイオード
１２  基板
１４  接合金属層
１６  第一電極
１８  半導体構造
２０  第二電極
２２  ナノスケール粗化構造
２４  ｐ型３−５族半導体層
２４  ｎ型３−５族半導体層
２６  発光半導体層
３０  エピタキシャル基板
３２  二酸化シリコン層
３４  ニッケル層
３６  ナノスケールパターン化酸化シリコン層
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
2012231104.tif 000009
【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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