(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダミー基板上に導電層及び発光層を順次形成し、
前記導電層から前記発光層にかけて、開口部に比して底部が狭くなるテーパー状の溝を形成し、
前記発光層の表面に一方の電極側となる基板を一体的に貼り合わせ、
前記ダミー基板を除去し、露呈した前記導電層を他方の電極側とする、
発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード及びその製造方法に関し、特に、例えば、光の取り出し効率を改良した発光ダイオード及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術による発光ダイオード（ＬＥＤ）について図５〜９を用いて説明する。
【０００３】
図５は従来のＬＥＤであり、ＬＥＤの基本形である。このＬＥＤの構造は以下の通りである。半導体基板２１上に、発光層２２と電流拡散層２３が形成されている。電流拡散層２３の上部には上部電極２５が形成されており、基板２１の下部には下部電極２４が形成されている。発光層２３はＰＮ接合部を有し、例えば上側がＰ型で、下側がＮ型となる。この場合、基板２１はＮ型となり、電流拡散層２３はＰ型となる。
【０００４】
このように構成されたＬＥＤにおいて、上部電極２５から供給された電流、即ちホールは、電流拡散層２３の内部で左右に広がり、発光層２２全体に供給される。一方、下部電極２４から供給された電流、即ち電子は、基板２１の内部で左右に広がり、発光層２２全体に供給される。発光層２２の内部では、発光層２２の上下からそれぞれ供給されたホールと電子が再結合し、発光が生じる。
【０００５】
ここで、ＬＥＤの特性の１つに輝度があり、この輝度が高いことが重要である。輝度は、発光効率に依存し、また、発光した光の外部への取り出し効率に比例する。この発光効率等を上げるために、発光層２２と電流拡散層２３との構造対して種々の改良がなされてきた。以下、これについて、幾つかの例を用いて説明する。
【０００６】
図６は、上記基本形のＬＥＤの改良である第１のＬＥＤである。このＬＥＤの構造は、Ｎ型ＧａＡｓ基板２６上に、Ｎ型ＧａＡｓ発光層２７とＰ型ＧａＡｓ発光層２８とが形成されている。Ｐ型ＧａＡｓ発光層２８上には上部電極３０が形成されており、Ｎ型ＧａＡｓ基板２６の下部には下部電極２９が形成されている。なお、このＰ型ＧａＡｓ発光層２８は、電流拡散層の役割をも兼ねている。
【０００７】
このＬＥＤの製法において、Ｐ型ＧａＡｓ発光層２８は、Ｓｉをドーパントにした液相エピタキシャル成長により形成される。IＶ属のＳｉは、III−Ｖ属のＧａＡｓに対して両性のドーパントであり、高温から低温にかけて行われる１回の液相エピタキシャル成長により、Ｎ型ＧａＡｓ発光層２７とＰ型ＧａＡｓ発光層２８とが形成される。一般に、基板２６の厚さは１５０〜３００μｍである。Ｎ型ＧａＡｓ発光層２８は５〜５０μｍである。Ｐ型ＧａＡｓ発光層２８は１０〜１００μｍ程度であり厚い。
【０００８】
このＬＥＤは簡単なプロセスで安価に製造できる。しかしながら、発光層２７，２８が単純なＰＮ接合であるため、発光効率はあまり高くない。また、Ｐ型ＧａＡｓ発光層２８が厚いために、Ｐ型ＧａＡｓ発光層２８において、発光光が吸収されてしまい、このため光の取り出し効率は低い。
【０００９】
図７は、上記基本形のＬＥＤの改良である第２のＬＥＤである。このＬＥＤは、Ｐ型ＧａＡｓ発光層３３上に、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層３４が液相エピタキシャル成長により形成されている。その他の部分は第１のＬＥＤと同様の構成を有するので説明を省略する。このＬＥＤは、電流拡散層３４のバンドギャップが広いため、発光層３２，３３からの発光光が吸収されない。このため、第１のＬＥＤよりも光の取り出し効率が良く、輝度が高い。
【００１０】
図８は、上記基本形のＬＥＤの改良である第３のＬＥＤである。このＬＥＤは、発光層として、発光効率の高いＤＨ（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｈｅｔｅｒｏ）構造が用いられている。このＬＥＤの構造を簡単に説明すると以下の通りである。Ｎ型ＧａＡｓ基板３７上に、ＭＯＣＶＤ法によりＩｎＧａＡｌＰ系のエピタキシャル層が形成されている。より具体的には、Ｎ型ＧａＡｓ基板３７上には、Ｎ型クラッド層３８及び活性層３９、Ｐ型クラッド層４０からなる発光層が形成されている。この発光層上にはさらに電流拡散層４１が形成されている。なお、この電流拡散層４１上には上部電極４３が形成されており、また、Ｎ型ＧａＡｓ基板３７の下部には下部電極４２が形成されている。
【００１１】
このＬＥＤの製法において、上記ＩｎＧａＡｌＰ系化合物は、Ｉｎ組成を０．５にするとＧａＡｓと格子常数が合うので、Ｎ型ＧａＡｓ基板３７上にエピタキシャル成長することができる。格子整合のままＡｌとＧａとの組成比を変えることでバンドギャップを調整することができる。活性層３９のＡｌ組成比は所望する発光波長に合わせてあり、両クラッド層３８，４０は活性層３９よりもＡｌ組成比を高くして、バンドギャップを大きくしてある。電流拡散層４１も、Ａｌ組成比を高くして、バンドギャップを大きくしてある。
【００１２】
このように、発光層３８，３９，４０をＤＨ構造にすることで、ホールと電子は活性層３９に閉じこめられ、発光効率が上がる。また、発光した光は、バンドギャップの広い層３８，４０，４１では吸収されないので、発光した光を効率よく取り出すことができる。
【００１３】
このような第３のＬＥＤの光の取り出し効率をさらに上げるために、基板３７を透明な材料、例えば、ＧａＰにしたＬＥＤもある。この場合のＬＥＤの製法において、ＩｎＧａＡｌＰは、ＧａＰと格子常数が異なり、エピタキシャル成長することができないため、ＧａＡｓ上に成長させたＩｎＧａＡｌＰ層を、ＧａＰ基板に対してウェーハ接着する。
【００１４】
以上に説明した基本形のＬＥＤ及び第１〜３のＬＥＤ以外に、活性層を、薄い活性層とバリア層の繰り返しにしたＭＱＷ構造のＬＥＤや、ＰＮ接合の片側だけをバンドギャップの広い層にしたＳＨ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｈｅｔｅｒｏ）構造のＬＥＤも知られている。
【００１５】
【発明の解決しようとする課題】
以上のようなＬＥＤにおいて、ＬＥＤの下面は外囲器にマウントされ、ＬＥＤの上面や側面からは発光した光が取り出される。この光は、基板が厚い等の理由により特に上面から取り出されることが多い。ここで、電極は光を通さないため、上部電極の真下の発光層で発光した光は、取り出すことができずに無駄になる割合が高い。上述したＬＥＤにおいては、上部電極からの電流を電流拡散層で左右に拡散してはいるものの、電流は、上部電極の真下の発光層に最も多く供給されるため、上部電極の直下の発光層での無駄な発光が多く生ずる。
【００１６】
そこで、この問題を解決しようとしたＬＥＤがある。例えば、通常円形である上部電極にＸ字型の足を付けて、上部電極の外側から発光層に対して電流を供給するＬＥＤがある。また、図９に示すように、上部電極４８の下側に電流が流れないようにした電流ブロック４７を設けたＬＥＤ（第４のＬＥＤ）もある。ここに、符号４４は基板、符号４５は発光層、符号４６は電流拡散層、符号４９は下部電極である。この電流ブロック４７は上部電極４８の直下以外に、電流拡散層４６内や、電流拡散層４６と発光層４５との間、発光層４５と基板４４との間等、種々の位置に設けられる。また、この電流ブロック４７の構造として、絶縁層やＰＮ接合、ヘテロ接合障壁、空洞等を用いた種々の構造がある。
【００１７】
このように、ＬＥＤにおける発光部を、上部電極の真下の発光層以外の部分に移す工夫がなされてはいるものの、依然として上部電極の真下における発光を効果的に抑制することができなかった。また、上部電極の真下以外の発光層、即ち、上部電極の真下部外側の発光層で発光した光が、上部電極の真下に入り込み、この入り込んだ光が無駄になるという問題もあった。
【００１８】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、発光ダイオードの上部電極の真下における発光層での発光を抑制するとともに、上部電極の真下部外側における発光層で発光した光が上部電極の真下に入り込むのを防止し、光の取り出し効率を高めることを目的とする。
【００２０】
本発明の発光ダイオードの製造方法は、ダミー基板上に導電層及び発光層を順次形成し、前記導電層から前記発光層にかけて、開口部に比して底部が狭くなるテーパー状の溝を形成し、前記発光層の表面に一方の電極側となる基板を一体的に貼り合わせ、前記ダミー基板を除去し、露呈した前記導電層を他方の電極側とする、ものとして構成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１（ｂ）は、本発明が適用される発光ダイオード（ＬＥＤ）上部平面図である。図１（ａ）は、該ＬＥＤのＡ−Ａ’における部分断面図である。
【００２２】
先ず、本実施形態について簡単に説明すると以下の通りである。
【００２３】
本実施形態において用いられるＬＥＤは、発光層が形成された半導体基板（基板）の上下から電流を流すことにより発光層において発光させ、この発光光を基板の上方から取り出すようにして用いられるもので、例えば表示用として用いられる。
【００２４】
より具体的には、該ＬＥＤは、半導体基板上に発光層及び電流拡散層（導電層）がこの順に形成されている。この電流拡散層上にはパターンニングされた円状の絶縁層が形成されており、さらにこの絶縁層上には円状の上部電極が設けられている。この上部電極の外側には、上記上部電極と電気的に接続された配線層（配線電極）が上記上部電極を取り囲むように方形状に形成されている。この上部電極と配線層との間の上記電流拡散層における領域には、上部電極を取り囲むようにリング状の溝が形成されている。この溝は、上記電流拡散層から発光層を貫通し、半導体基板の内部へと至っている。この溝には空気が満たされている。一方、半導体基板の下部には下部電極が設けられている。
【００２５】
このように構成されたＬＥＤにおいて、上部電極と下部電極との間に電圧を印加すると、上部電極から配線層を介して運ばれたホールと、下部電極から上記基板を介して運ばれた電子とが、上記溝の外側における発光層において結合し、光を発する。この光は、溝の外側におけるＬＥＤの上方から取り出される。上部電極の真下方向への光は上記溝で反射してＬＥＤの上方から取り出される。一方、溝の内側における発光層においては、上部電極からのホールが上記絶縁膜発光層及び上記溝により到達しないため発光が生じない。本実施形態は、このようにして、取り出し効率の低い上部電極の真下の発光層での発光を抑制し、取り出し効率の良い上部電極の外側における発光層で発光させることで、光を効率よく取り出すことを大きな特徴の一つとするものである。以下、本実施形態についてより詳しく説明する。
【００２６】
先ず、本実施形態におけるＬＥＤの構造について説明する。
【００２７】
まず、図１（ａ）から分かるように、半導体基板（基板）１上には、発光層２及び電流拡散層３が設けられている。
【００２８】
次に、図１（ｂ）及び図１（ａ）から分かるように、拡散電流層３上には絶縁層５が形成されている。絶縁層５は、絶縁層５ａと絶縁層５ｂとから成る。絶縁層５ａは円状にパターニングされている。絶縁層５ｂは直状にパターンニングされており、絶縁層５ａを挟んで一対形成されている。絶縁層５ａ上には、円状にパターニングされた上部電極（パッド）６が形成されている。
【００２９】
次に、図１（ａ）及び（ｂ）から分かるように、絶縁層５ａの外側には、この絶縁層５ａを取り囲むようにリング状の溝４が掘られている。但し、図１（ｂ）から分かるように、絶縁層５ｂと重複する２箇所の部分においては溝４は設けられていない。溝４は、このように連続につながってなくともよい。即ち、一部で溝４が切れていても、溝４が一部だけでもよい。また、溝４は、リング状以外の形状、例えば、方形状でもよい。なお、一般に、直線で構成される方形状の溝の方がマスクを作りやすい。図１（ａ）から分かるように、この溝４は、発光層２を貫通して、基板１内部にまで達しており、溝４の内部にはＬＥＤの構成材料よりも屈折率の低い物質が充填されている。本実施形態においては、屈折率が１である空気が充填されている。
【００３０】
図１（ｂ）及び図１（ａ）から分かるように、電流拡散層３及び絶縁層５上には配線層７が形成されている。配線層７は、配線層７ａと配線層７ｂとから成る。配線層７ａは、溝４を取り囲むように方形状に形成されている。配線層７ｂは、図（ｂ）から分かるように、上部電極６と電気的に接続されている。
【００３１】
その他、図示していないが、半導体基板１の下側には下部電極が形成されている。
【００３２】
次に、このような構造を有するＬＥＤの作用について図２を用いて説明する。
【００３３】
上部電極６と下部電極（図示せず）との間に電圧をかけると、上部電極６に電流が流れる。この電流は、配線層７ｂを介して配線７ａへ伝わり、溝４の外側における電流拡散層３ａへと流れる。そして、電流拡散層３ａへの電流は、電流拡散層３ａの内部で拡散されつつ、さらに発光層２ａへと供給され、発光層２ａにおいて発光する。発光した光のうちの上方向の光は、そのまま電流拡散層３ａの上方から取り出される。発光した光のうちの上部電極６方向への光は、図２に示すように溝４において反射して、電流拡散層３ａの上方から取り出される。
【００３４】
このように本実施形態によれば、上部電極６の下部に絶縁層５ａを設けるとともに、上部電極６と配線層７との間に溝４を設けたので、上部電極６からの電流は配線層７ａ、７ｂを介して、溝４の外側の電流拡散層３ａへ流れ、発光層２ａへ供給される。上部電極６から電流拡散層３ｂ及び発光層２ｂへの電流は、絶縁層５ａ及び溝４ａにより遮られるため、流れることはない。これにより、上部電極６の真下の発光層２ｂにおける無駄な発光を抑制するとともに、取り出し効率のよい上部電極６の外側における発光層２ａにおいて発光させることができる。さらに、上部電極６の外側における発光層２ａで発光した光のうち、上部電極６の真下方向への光は、溝４において反射し戻ってくるので、上部電極６の真下方向への光も、電流拡散層３ａの上方から取り出すことができ、光の取り出し効率を高めることができる。
【００３５】
ここで、本実施形態におけるＬＥＤチップと、本実施形態におけるエピウェーハ（図１における符号１〜３の層）と同じ構造のエピウェーハを有する従来の図７に示すＬＥＤチップと、の明るさを比較した結果を述べる。ＬＥＤチップの形状は共に３００μｍとし、上部電極の直径は共に１００μｍとした。なお、図７におけるＬＥＤチップにおいては、図７からも分かるように、本実施形態における大きな特徴の一つである構成要素、即ち、絶縁層及び溝、配線層は設けていない。
【００３６】
これら両ＬＥＤチップの輝度を２０ｍＡ通電化の条件で比較した結果、本実施形態におけるＬＥＤチップは、図７におけるＬＥＤチップの１．３倍の明るさを示した。この比較結果からも分かるように、本実施形態におけるＬＥＤにおいては、上部電極６の真下に絶縁層５ａを設けるとともに、上部電極６の外側に溝４を設け、さらに、溝４の周囲に上部電極と電気的に接続された配線層７ａ，７ｂを設けたので、上部電極６の真下の発光層２ｂでの発光を抑制することができ、さらに、発光層２ａで発光した光のうち上部電極６の真下方向へ向かう光を、溝４で反射させて外部に取り出すことができ、これにより、ＬＥＤにおける光の取り出し効率を高めることができる。
【００３７】
次に、本実施形態におけるＬＥＤの製造方法について図１を参照しつつ説明する。
【００３８】
基板１として、直径３インチ、厚さ３００μｍのＮ型ＧａＡｓ基板を用いる。次に、Ｇａに、ｐｏｌｙ−ＧａＡｓとドーパントのＳｉとを溶解させたソースを用いて基板１に対して液相エピタキシャル成長を行い、基板１上に、Ｎ型ＧａＡｓ発光層とＰ型ＧａＡｓ発光層とを連続的に成長させ、これにより、Ｎ型ＧａＡｓ発光層とＰ型ＧａＡｓ発光層とからなる発光層２を基板１上に形成する。Ｎ型ＧａＡｓ発光層の厚さは４０μｍであり、Ｐ型ＧａＡｓ発光層の厚さは３μｍである。Ｐ型ＧａＡｓ発光層の厚さが３μｍになったらソースを排出し、Ｇａに、ｐｏｌｙ−ＧａＡｓ及びＡｌ、ドーパントのＺｎを溶解させた新たなソースを用いて基板１に対して液相エピタキシャル成長を行う。これにより、厚さ１０μｍのＰ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層３を発光層２上に形成し、エピウェーハを得る。
【００３９】
次に、このエピウェーハの上面に、絶縁層５ａ、５ｂのための酸化シリコン膜を形成する。引き続き、この酸化シリコン膜の上部及び基板１の下部に金電極を蒸着で形成する。引き続き、ＰＥＰにより、上記酸化シリコン膜と、この酸化シリコン膜上の上記金電極とを加工して、図１（ｂ）に示すような絶縁層５ａ、５ｂと上部電極６とを形成する。引き続き、ＲＩＥにより、電流拡散層３から基板１の内部へと溝４を掘る。但し、絶縁層５ｂと重なる部分については溝４を形成しない。引き続き、図１（ｂ）に示すように、配線層７を、リフトオフ法等により電流拡散層３及び絶縁層５上に形成する。その後、ダイシングでウェーハを切って、ＬＥＤチップを得る。
【００４０】
ＬＥＤチップの形状は３００μｍ角、上部電極６の直径は１００μｍである。また、絶縁層５ａの直径は１２０μｍで、図１（ｂ）から分かるように、絶縁層５ｂを１０μｍの幅で上下に残してある。溝４の形状は、内径１４０μｍ、外形１５０μｍのリング状とする。溝４の深さは約２０μｍであり、発光層２を貫通している。但し、上述したように、溝４は、図１（ｂ）から分かるように、絶縁層５ｂの下部にあたる部分においては設けられていない。配線層７の幅は５μｍであり、配線７ａは一辺２５０μｍの正方形としてある。
【００４１】
図３は、図１のＬＥＤの溝４における変形例を示す部分拡大図である。図１と異なるところは、溝８が逆テーパー形状をしている点にある。他の部分については図１と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付し、また、一部図示を省略してある。
【００４２】
このＬＥＤチップについての作用について説明すると以下の通りである。
【００４３】
溝８を逆テーパー形状としたことにより、溝８の外側における発光層２ａにおいて発光した光のうち、上部電極６方向の光（図２参照）は、溝８の外側の壁面（反射面）において反射する。この反射面は内側に傾いているため、反射した光は上方に向く。そして、この光は、ＬＥＤの上面から垂直に取り出される。
【００４４】
このように図３に示すＬＥＤによれば、溝８において反射した光を、取り出し効率の高い垂直方向に取り出せるので、図１のＬＥＤよりもより一層光の取り出し効率を高めることが出来る。
【００４５】
次に、図３にこのＬＥＤの製造方法を図４を用いて説明する
第１の基板（ダミー基板）９に、電流拡散層１０と発光層１１とをこの順番で液相エピタキシャル成長により成長させる（図４（ａ））。次に、開口部が底部よりも広いテーパー形状の溝１２を形成する（図４（ｂ））。次に、これを上下逆転させる（図４（ｂ）−２）。次に、これを、直接接着法や熱圧着法等のウェーハボンディングにより、第２の基板１３に一体化させる（図４（ｃ））。次に、第１の基板９を除去して、逆テーパー形状の溝１２を有するエピウェーハを得る。この後は、図１のＬＥＤを製造するときと同様にして、絶縁層及び上部電極、下部電極等を形成する。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、発光ダイオードにおいて、上部電極の真下における発光層での発光を抑制して、上部電極の真下部外側における発光層において発光させるようにしたので、発光層で発光した光を効率よく取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される発光ダイオードの部分断面図である。
【図２】本発明が適用される発光ダイオードにおける発光光の経路を説明するための図である。
【図３】図１の発光ダイオードの溝における一部変形例を示す部分断面図である。
【図４】図３の発光ダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図５】従来の発光ダイオードの基本形を示す断面図である。
【図６】図５の発光ダイオードの改良である従来の第１の発光ダイオードである。
【図７】図５の発光ダイオードの改良である従来の第２の発光ダイオードである。
【図８】図５の発光ダイオードの改良である従来の第３の発光ダイオードである。
【図９】図５の発光ダイオードの改良である従来の第４の発光ダイオードである。
【符号の説明】
１  半導体基板（基板）
２、２ａ、２ｂ  発光層
３  ３ａ、３ｂ  電流拡散層（導電層）
４  溝
５，５ａ、５ｂ  絶縁層
６  上部電極（パッド）
７、７ａ、７ｂ  配線層（配線電極）
８  溝
９  第１の基板（ダミー基板）
１０  電流拡散層
１１  発光層
１２  溝
１３  第２の基板
【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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