(57)【要約】【課題】本発明は、発光効率を改善するＬＥＤデバイスを製造する方法を提供するものである。【解決手段】本発明に係るＬＥＤデバイスは、発光層（３）を含む層積層体（２）を有し、発光層は層積層体の上部層および下部層ではなく、本発明に係るＬＥＤデバイスを製造する方法は、粗面化ステップを有し、層積層体の上部層および下部層は、ＬＥＤの発光効率を改善するために粗面化され、粗面化ステップは、複数の表面特徴物（１０）を上部層または下部層の上に形成するステップを有し、表面特徴物は、特徴物の規則的なパターンを元にして、規則的なパターンの各特徴物について、規則的なパターン内の配置位置を変位させ、前記変位が、不規則な方向および／または不規則な振幅である。別の実施形態では、規則的なパターン内にある特徴物の１つまたはそれ以上の寸法に不規則な変位が加えられる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤデバイスを製造する方法であって、
ＬＥＤデバイスは発光層（３）を含む層積層体（２）を有し、発光層は層積層体の上部層および下部層ではなく、
この製造方法は粗面化ステップを有し、
層積層体の上部層および下部層は、ＬＥＤの発光効率を改善するために粗面化され、
粗面化ステップは、複数の表面特徴物（１０）を上部層または下部層の上に形成するステップを有し、
表面特徴物は、特徴物の規則的なパターンを元にして、規則的なパターンの各特徴物について、規則的なパターン内の配置位置を変位させ、
前記変位が、不規則な方向および／または不規則な振幅であることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記変位の振幅は、規則的なパターン内の特徴物のピッチより大きくないことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記変位の振幅は、表面特徴物がパターン内で互いにかさなり合わないように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記変位の振幅は、規則的なパターン内の特徴物のピッチの半分より大きくないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記変位の振幅は、予め設定された統計的な分布に従って構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項６】
予め設定された統計的な分布は、均一な分布またはガウス分布であることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
規則的なパターン内の特徴物のピッチが０．２ミクロン〜２ミクロンの範囲にあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項８】
表面特徴物は、コーン状またはピラミッド状の形状のピラーを有し、
ピラーは、ピラーの間に平坦上面（１１）および平坦領域（１２）を有し、傾斜した側面（１３）を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項９】
傾斜した側面は、粗面化した表面の平面に対して２５°〜４５°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
各特徴物の平坦上面（１１）は、平坦上面の中間点の直下にある発光層（３）のポイントから生じ、平坦上面により受光される放射円錐光が、平坦上面（１１）と同じ厚み（Ｔ）を有する粗面化されない表面を介して発光層（３）から生じる漏れ円錐光と実質的に一致するように構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記変位の振幅は、規則的なパターン内の特徴物のピッチの４分の１より大きくないことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項１２】
粗面化ステップは、マスクを用いるリソグラフィステップを有し、
マスクは、非規則的パターンに従って配置された開口部を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項１３】
ＬＥＤデバイスを製造する方法であって、
ＬＥＤデバイスは発光層（３）を含む層積層体（２）を有し、発光層は層積層体の上部層および下部層ではなく、
この製造方法は粗面化ステップを有し、
層積層体の上部層および下部層は、ＬＥＤの発光効率を改善するために粗面化され、
粗面化ステップは、複数の表面特徴物（１０）を上部層または下部層の上に形成するステップを有し、
表面特徴物は、同一の大きさおよび形状を有する特徴物の規則的なパターンを元にして、同一の大きさを有する特徴物の寸法のうち、規則的なパターンの各特徴物の１つまたはそれ以上の寸法に不規則な変位を与えることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造方法の技術分野に関し、とりわけ窒化ガリウムＬＥＤ（ＧａＮ  ＬＥＤ）等のＬＥＤの技術分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムＬＥＤの技術分野は、ノートブックパソコン、ＴＶのバックライト、および一般照明などのさまざまな用途における生産および開発の重要性が増している。窒化ガリウム（ＧａＮ）層の表面粗面化処理（surface texturization）は、ＬＥＤの発光効率を改善するものである（デバイスからより多くの光量が抽出される）。窒化ガリウム層の表面粗面化処理は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの適当なウェットエッチング溶液を用いて、または窒化ガリウム層のドライエッチングにより行うことができる。ドライエッチング技術は、表面上の特徴物（特徴的構造物）のパターンを形成するマスクを用いることを含む。従来式のｉラインリソグラフィおよび塩素系ドライエッチングを用いて、マスクにより形成されたパターンに基づいて、表面上の構成物を形成することができる。別の選択肢として、ポリスチレン製の球体の層を表面上に形成し、この球体をドライエッチングのためのマスクとして使用することもできる。これらの技術は、たとえば欧州特許出願公開第EP0977277 A1号で説明されている。
【０００３】
上記技術において、処理表面に転写される特徴物のパターンは、好適には、規則正しいパターンではなく、すなわち特徴物の大きさおよび隣接する特徴物間の距離が表面全体において一定ではない。規則正しいパターンが形成されると、ＬＥＤ発光層から発光する光が同一の反射角に沿って反復的に反射することにより、あまりにも多くの光量を吸収される傾向がある。表面がより不規則であるほど反射角にばらつきが生じるため、ＬＥＤデバイスからの発光量が増大する。したがって、不規則なマスクパターンおよびリソグラフィは、好適な選択肢であり、またはスチレン製の球体の溶液は、大きい面積を有する表面全体に完全に不規則なパターンを形成するものである。
【０００４】
不規則なパターンが理想的であることが認識されているものの、あまりにも数多くの特徴物が粗面化処理表面の１つの領域において接近して存在する場合、および／または特徴物が処理表面の別の領域においてはあまりにも離間して存在する場合、発光効率が低減し得ることが確認されている。これは多かれ少なかれ、特徴物の大きさおよび相互距離に依存する場合である。換言すると、先行技術に係る製造方法おいては、パターン全体の不規則性に対する適正な制御がなされておらず、その結果、デバイスの性能を予見不可能なものとしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願公開第EP0977277 A1号
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、添付クレームに記載された方法に関するものである。すなわち本発明は、ＬＥＤデバイスを製造する方法に関し、このＬＥＤデバイスは発光層を含む層積層体を有し、発光層は層積層体の上部層および下部層ではない。この製造方法は粗面化ステップを有し、層積層体の上部層および下部層は、ＬＥＤの発光効率を改善するために粗面化され、粗面化ステップは、複数の表面特徴物を上部層または下部層の上に形成するステップを有し、表面特徴物は、特徴物の規則的なパターンを元にして、規則的なパターンの各特徴物について、規則的なパターン内の配置位置を変位させ、前記変位が、不規則な方向および／または不規則な振幅であることを特徴とするものである。
【０００７】
１つの実施形態によれば、前記変位の振幅は、規則的なパターン内の特徴物のピッチより大きくない。
【０００８】
別の実施形態によれば、前記変位の振幅は、表面特徴物がパターン内で互いにかさなり合わないように設定される。
【０００９】
特定の実施形態によれば、前記変位の振幅は、規則的なパターン内の特徴物のピッチの半分より大きくない。
【００１０】
前記変位の振幅は、均一な分布またはガウス分布等の予め設定された統計的な分布に従って構成してもよい。
【００１１】
１つの実施形態によれば、規則的なパターン内の特徴物のピッチが０．２ミクロン〜２ミクロンの範囲にある。
【００１２】
１つの実施形態によれば、表面特徴物は、コーン状またはピラミッド状の形状のピラーを有し、ピラーは、ピラーの間に平坦上面および平坦領域を有し、傾斜した側面を有する。好適には、傾斜した側面は、粗面化した表面の平面に対して２５°〜４５°の角度で傾斜し、さらに好適には２５°〜３０°の角度で傾斜している。
【００１３】
１つの実施形態によれば、各特徴物の平坦上面は、平坦上面の中間点の直下にある発光層のポイントから生じ、平坦上面により受光される放射円錐光が、平坦上面と同じ厚みを有する粗面化されない表面を介して発光層から生じる漏れ円錐光と実質的に一致するように構成されている。
【００１４】
１つの実施形態において、コーン状またはピラミッド状の形状の表面特徴物を有し、前記変位の振幅は、規則的なパターン内の特徴物のピッチの４分の１より大きくない。
【００１５】
好適な実施形態において、粗面化ステップは、マスクを用いるリソグラフィステップを有し、マスクは、非規則的パターンに従って配置された開口部を有する。
【００１６】
本発明は、同様に、ＬＥＤデバイスを製造する方法に関し、このＬＥＤデバイスは発光層を含む層積層体を有し、発光層は層積層体の上部層および下部層ではない。この製造方法は粗面化ステップを有し、層積層体の上部層および下部層は、ＬＥＤの発光効率を改善するために粗面化され、粗面化ステップは、複数の表面特徴物を上部層または下部層の上に形成するステップを有し、表面特徴物は、同一の大きさおよび形状を有する特徴物の規則的なパターンを元にして、同一の大きさを有する特徴物の寸法のうち、規則的なパターンの各特徴物の１つまたはそれ以上の寸法に不規則な変位を与えることを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、非粗面化表面を有するＬＥＤデバイス内に取り込まれる光の問題を示すものである。
【図２】図２は、表面の粗面化により実現される発光効率の改善を示すものである。
【図３】図３は、表面特徴物の規則的パターンの具体例を示すものである。
【図４】図４は、本発明に係る「変位」をさまざまな度合いで付加した菱形パターンの特徴物を示すものである。
【図５】図５は、「変位」をパターンに負荷する前後の六角形形状パターンの具体例を示すものである。
【図６】図６は、本発明に係る方法と特に適当に組み合わせることができる好適な特徴物を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、層積層体からなるＬＥＤの製造方法に関し、この層積層体は、（１つまたはそれ以上の量子井戸ウェル等を含む）発光層を層積層体の内部に（すなわち層積層体の上部または下部ではなく）有するものである。図１は、鏡面表面１、ＬＥＤ積層体２、および発光層３を含むＬＥＤデバイスの基本構造をきわめて概略的に示すものである。上部層が図１に示すように表面粗面化処理されないため、発光ビーム６が反復的に反射するために大部分の光が層の内側に閉じ込められ、外部方向に放射する光、いわゆる「漏れ円錐光（escape cone）」５が生じる。当業者に知られているように、積層体の上部表面４を粗面化処理ことは、図２に示すように、漏れ円錐光とは離れた別の方向に放射する光を抽出する上で利点がある。水平な平行表面により形成される漏れ円錐光５とは別に、追加的な漏れ円錐光７が垂直な平行表面により形成される。傾斜した表面を用いることにより、発光効率をさらに改善することができる。
【００１９】
本発明によれば、粗面化処理は、たとえば表面上に微視的な柱状構造物（pillar）または凹部（depression）を形成することにより、表面上に数多くの表面特徴物を形成することにより実現される。この表面特徴物は、規則的パターンに形成された各特徴物を、規則的パターンから変形（配置変換）することにより形成される不規則的なパターンに従って配設され、不規則的な方向および／または不規則性の度合い（大きさ）において変形（配置変換）させるものである。規則的なパターンとは、各特徴物が隣接する特徴物に対して、あらかじめ設定された同じ相対位置に配置されたパターンをいう。不規則な変形（配置変換）とは、規則的なパターンに「変位（ばらつき、jitter）」を加えたものである。
【００２０】
規則的パターンは、図３（ａ）〜（ｅ）に示すように、たとえば菱形（市松模様）、六角形、正方形、長方形、または傾斜状であってもよいが、任意の他の規則的パターンを選択してもよい。変形の度合い（特徴物が規則的な位置から変位した程度）は、規則的特徴物の位置の周りの不規則な方向に所定の値（距離）を有するものであってもよく、変形の度合い自体が不規則であってもよい（不規則的なものと規則的なものを組み合わせた変位であってもよい）。変位は不規則なものであってもよいが、０から最大変位まで、または最小変位から最大変位までの間の所定間隔の範囲内に、変位を収めるようにしてもよい。好適な実施形態によれば、変位の方向が不規則的で、変位の振幅（度合い）は不規則的ではあるが、特徴物の規則的配置位置の周りにおいて、たとえば均一な分布またはガウス分布等の所定の統計的分布を有し、規則的な位置から不規則的な方向に変位するように構成される。こうした分布の変数値は、多かれ少なかれ、表面４の全体における特徴物の規則的パターンの配置位置に関する広がりを得るように選択してもよい。
【００２１】
図４（ａ）は、５０％の菱形パターン（すなわち変位が実施される前の表面の５０％を表面特徴物がカバーするもの）を示す。図４（ｂ）〜（ｄ）は、同一のパターンを示し、表面特徴物に対し均一に分布し、その変位の度合いは最大値まで徐々に増大している。
【００２２】
図５（ａ）は、規則的な六角形パターンのピラー状構造物（柱状構造物）の具体例を示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）のパターンに基づいた本発明に係る変位パターン（均一な分布）を示すものであり、ピラー状構造物は規則的な位置から逸脱している。これらの図面に表された寸法は、ミクロンオーダのものである。
【００２３】
「変位」パターンは、既知の手法を用いて、好適には、マスクおよび標準的なリソグラフィ技術を用いて、たとえ複数の量子井戸を有する窒化ガリウム系の層積層体等、ＬＥＤの表面に形成してもよい。このとき、パターンは、レジスト層に転写され、マスクを介して露光照明し、現像し、照明されたレジストを除去し、レジスト開口部により形成される積層体の上部層の開口部をエッチングして、最終的にレジストを除去する。この結果、ピラー状特徴物が表面上に形成される。択一的には、反対のマスクおよびレジスト極性を用いるとき、光照射されないレジスト部分は現像され、除去され、レジストのアイランド（島）が残り、ドライエッチングすることにより、反転したピラー状の凹部が表面上に形成され、表面の粗面化処理が行われる。
【００２４】
パターン形成するための別の手法が可能である。まずＬＥＤデバイスをデバイスウエハ上に作製した後、キャリアウエハに転写する。この方法は、「シリコン内に成長する窒化ガリウム系ＬＥＤのための基板転写（Substrate Transfer for GaN  based LEDs grown in Silicon）」Pham et al, IMAPS 44 International Symposium on Microelectronics, Oct 9-13, 2011, Long Beach California, ISBN 0930815947, Page 130-135.に記載されている。デバイスウエハ上の積層体を構成する層を積層する前に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）またはその他、シリコン酸窒化物、またはシリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、および窒素（Ｎ）の化合物からなるマスクをデバイスウエハ表面上に形成し、このマスクは、上記説明したように形成される（規則的パターンに変位を加えて形成される）。ＬＥＤ積層体は、最初に、マスクにより形成された突起部の上に積層された後に結晶成長させる。キャリアへデバイスを転写し、デバイスウエハを除去した後に、パターンがＬＥＤの上部表面に形成される。マスクは、ＬＥＤ積層体を積層する前に除去するか、または基板に転写するまで、またはそれ以降も維持する。本発明のこの実施形態に係る方法は、ＬＥＤ層の「間接的な粗面化処理」と呼ばれ、マスクの支援により直接的にＬＥＤ層をドライエッチングすることが「直接的な粗面化処理」と呼ばれている。デバイス転写を行わないプロセスにおいて、間接的な方法を用いて、積層体２の底面にパターン形成することができる。
【００２５】
本発明に係る変位パターンによれば、既存の手法と比較して、完全に不規則なパターンによる利点を維持しつつ、すなわちＬＥＤデバイスの発光効率の改善という利点を享受しつつ、パターン形成をより良好な制御し、再現性よく不規則性を実現するという利点が得られる。
【００２６】
好適な実施形態によれば、粗面化された表面を得るために用いられる規則的パターンの特徴物のピッチは、０．２ミクロン〜２ミクロンの範囲にある。このピッチは、隣接する２つの特徴物の対応するポイントの間の距離の平均、たとえば隣接する２つのビラミット状ピラーの頂点の間の距離の平均として定義される。この範囲において、この変位により追加的な利点が得られ、光の指向性を低減することができる。０．２ミクロン〜０．５ミクロンの範囲にある規則的な特徴物パターンは、「フォトニック格子」または「フォトニック結晶」として知られている。これらの構造体は、指向性を有する光、すなわち事前設定された複数の方向の周囲の限定的な方位に向けた光を発することが知られている。
【００２７】
こうした指向性は、いくつかのケースでは、たとえば特定のタイプのプロジェクタにおいては必要な特性であるが、ＬＥＤについては、光をより拡散して発光するものが好ましい。本発明に係るフォトニック結晶に設けられる変位は、発光指向性を低減するものである。この利点は、上述の０．２ミクロン〜２ミクロンの範囲にあるとき実現され、発光指向性はもっとも顕著になることが確認されている。
【００２８】
最適な変位の平均的度合い（平均的な大きさ）は、変位させる元となる規則的パターンにある特徴物の形状、サイズ、およびピッチに依存して異なる。規則的位置からあまりに大きく変位することは、特徴物が重なり合い、特徴物の間の開口スペースがより大きくなり、粗面化による散乱効果を損なる場合があるので好ましくない。すなわち、好適な実施形態によれば、規則的パターンに変位を加えることにより、表面特徴物がパターン上で本質的に重なり合うことがない程度に、変位の振幅（度合い）が設定される。別の実施形態によれば、変位の振幅（度合い）は、変位を加える規則的パターンのピッチより大きくなく、より好適には、この規則的パターンのピッチの半分より大きくない。
【００２９】
本発明に係る方法に特に好適なピラー状特徴物の好適な実施形態が図６（ａ）に図示されている。図示された寸法は、現実的な具体例を示すことを意図して図示したものであるが、本発明の技術的範囲を限定するものではない。この特徴物は、４ミクロンのピッチを有する規則的パターンに形成されたピラー１０であって、パターンを変位させる前のものである。各ピラーは、隣接する特徴物の間に、平坦上面１１および平坦領域１２を有するピラミッド状（四角錐台状）またはコーン状（円錐台状）の形状を有する。特徴物の側面は、傾斜面１３により画定されている。特徴物の平坦上面１１は、好適には、発光層３の位置およびこの層の（図６（ａ）に示す）厚みＴに関連して選択される。これを実施するための１つの方法は、平坦上面１１が受光し、平坦上面１１の中間位置の直下にあるポイント１５からの放射円錐光１４が、平坦上面１１と同一の厚みＴを有する非粗面化表面に対して、上述の漏れ円錐光と実質的に一致するように、ピラーを構成することである。このように、少なくとも中間ポイント１５から生じる光については、この層に捕獲される（閉じ込められる）光は存在しない。垂直面に対する傾斜面１３の角度は、光を最大限散乱させるためには、約２５°〜約３０°であることが好ましい。鏡面表面１と平行な平坦領域１２との間に捕獲される（閉じ込められる）光を最小限に抑えるために（ビーム１６を参照されたい。）、ピラー１０間の平坦領域１２をできるだけ短くする必要がある。しかしながら、特徴物を互いに対して非常に接近させて、開口領域（平坦領域）１２が形成されないように、エッチングおよびリソグラフィを精緻に制御することは困難である。図６（ａ）に示す構成において、変位、好適には均一に分布する変位の最大値がピッチの１／４（４分の１）を超えない（示唆された寸法では、プラスマイナス１ミクロン）場合には、パターン内の「開口領域」スペース１２の平均値を低減でき、デバイス内に閉じ込められる光量を低減できることを、本発明者は発見した。変位がより大きく、その最大値がピッチの半分を超えない（プラスマイナス２ミクロン）場合には、平坦上面１１の平均値を低減することが好ましい。図６（ａ）のパターンに適用可能な変位範囲１７は、図６（ｂ）に概略的に図示したとおりである。
【００３０】
特徴物の位置に関連して、またはこれに独立して上記説明した変位に加え、特徴物の寸法が変位の対象となり得る。すなわち、同一寸法を有する特徴物の当初の規則的パターンを元にして、特徴物の１つまたはそれ以上の寸法（高さや幅等）を不規則に拡大し、縮小することができる。規則的寸法からの変位の振幅（度合い）は、予め設定された統計的分布（均一分布またはガウス分布等）に応じて分布させることが好ましい。適用できない場合を除いて、規則的パターン内の特徴物の位置に変位を加える実施形態に関する上記詳細な説明が、寸法に変位を与える実施形態に対しても同様に適用することができる。
【００３１】
添付図面および上記説明において、本発明について詳細に説明したが、このような図示および説明は、説明的または例示的なものであって、限定的なものではないと理解すべきである。当業者ならば、本明細書および添付図面を参照すれば、クレーム発明を実施する上で、開示された実施形態以外の他の変形例を理解し、実現することができる。クレームにおいて、「備える（comprising）」なる用語は、他の構成要素または構成ステップを排除するものではなく、「１つの（a, an）」の不定冠詞は、複数であることを除外するものではない。ある手段が互いに異なる従属クレームに引用されているという事実のみにより、これらの手段の組み合わせによっては、本発明の効果を奏することはできないということを示すものではない。クレーム中の任意の参照符号は、発明の技術的範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【００３２】
特に言及しない限り、１つの層が別の層または基板の「上に」積層または形成されたと表現した場合には、
・１つの層は別の層または基板の上に直接的に、接触して積層または形成されたか、
・１つの層は別の層または積層体の上に、１つの層と別の層との間の中間的な層を介して積層または形成されたことを示唆するものである。
【００３３】
上記説明は、本発明の特定の実施形態の詳細について説明するものである。しかしながら、上記説明がいかに詳細であったとしても、本発明は数多くの手法により実現することができ、開示された実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。本発明に係る上記特徴または態様について説明するときに用いた特定の技術用語は、限定的に再定義されたものではなく、その用語に付随する本発明の特徴または態様に固有の任意の特性を含むものと理解されたい。
【符号の説明】
【００３４】
１…鏡面表面、２…ＬＥＤ積層体、３…発光層、４…上部表面、５…漏れ円錐光、６…発光ビーム、１０…ピラー、１１…平坦上面、１２…平坦領域、１３…傾斜面、１７…適用可能な変位範囲。
【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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【外国語明細書】
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