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表面粗化による高効率の(B,Al,Ga,In)Nベースの発光ダイオード 実績あり

国内特許コード P110003582
整理番号 E067P04
掲載日 2011年6月23日
出願番号 特願2005-512858
公表番号 特表2007-521641
登録番号 特許第5719493号
出願日 平成15年12月9日(2003.12.9)
公表日 平成19年8月2日(2007.8.2)
登録日 平成27年3月27日(2015.3.27)
国際出願番号 US2003039211
国際公開番号 WO2005064666
国際出願日 平成15年12月9日(2003.12.9)
国際公開日 平成17年7月14日(2005.7.14)
発明者
  • 藤井 哲雄
  • ガオ, ヤン
  • フー, イーブリン エル.
  • 中村 修二
出願人
  • ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア
  • 独立行政法人科学技術振興機構
発明の名称 表面粗化による高効率の(B,Al,Ga,In)Nベースの発光ダイオード 実績あり
発明の概要 窒化ガリウム(GaN)ベースの発光ダイオード(LED)で、光はLEDの窒素面(N面)(42)を介して取り出される。また、N面(42)の表面は1つ以上の六角形状円錐に粗くされる。表面を粗くすると、LED内部で繰り返し起こる光の反射が減り、そのため、より多くの光をLEDから取り出せる。N面(42)の表面は、異方性エッチングによって粗くされる。この異方性エッチングとしては、乾式エッチング、PECエッチングが挙げられ得る。
従来技術、競合技術の概要



(2.関連技術の説明)

(注:本出願は、本明細書全体を通して一つ以上の参照番号で示される、多数の様々な文献を参照する。これら様々な文献は、参照番号順に、リストとして「参考文献」の項目で以下に示される。これらの文献のそれぞれは、本明細書で、参考として援用される)。





窒化ガリウム(GaN)ベースの大きなバンドギャップの半導体発光ダイオード(LED)は、約10年前から利用可能になってきた。このLED開発の進歩によって、LED技術に大きな変化がもたらされ、フルカラーLEDディスプレイ、LED信号機、白色LEDなどが実現されてきた。





近年、高効率の白色LEDが、蛍光灯に置き換わる可能性があるものとして、大きな関心を集めている。特に、白色LEDの効率(74lm/W)[1](非特許文献1)は、普通の蛍光灯(75lm/W)に近づきつつある。それにも関わらず、更なる効率改善が望ましい。





LEDの効率を改善するためには、主として二つのアプローチがある。第一のアプローチは、内部量子効率(η)を上げることであり、これは結晶品質やエピタキシャル層の構造によって決定される。一方、第二のアプローチは、光取り出し効率(η取り出し)を上げることである。





内部量子効率を上げることは、容易にできることではない。典型的なη値は、青色LEDでは、約70%を超え[2](非特許文献2)、低転位GaN基板に成長した紫外線(UV)LEDでは、最近、約80%のη値を示している[3](非特許文献3)。これには改善の余地はほとんどない。





その一方、光取り出し効率を改善する余地は、十分にある。内部光の損失を抑えるために、数多くの課題が挙げられている。例えば、高反射鏡、粗い表面などの低反射表面、非常に熱散乱しやすい構造などである。





例えば、GaN(n~2.5)と空気の屈折率を考え[4](非特許文献4)、光脱出円錐(light escape cone)に対する臨界角が約23°の場合を考える。光は側壁から発生し、後壁は無視されるものと仮定すると、内部光の約4%のみ取り出され得ることが期待される。脱出円錐の外の光は、側壁を介して脱出しない限り、基板の中に反射されるか、活性層または電極に繰り返し反射されるか、吸収されるかである。





LED構造は、光がどの程度発生されるかに影響を及ぼす。光取り出し効率におけるLED構造の影響は、実施例によって、好適に記載される。以下の実施例で、LED構造の幾つかの種類を記載する。





図1は、従来型LED構造の模式的な断面図である。この構造はp型パッド電極10、半透明電極12、p型層14、活性領域16、n型層18、n型電極20および基板22を含む。GaNは通常、例えば、サファイアのような絶縁体基板に成長されるため、p型電極10およびn型電極20は同一平面上に製造される必要があり、その結果得られる電極10と20のデバイス構造は、電流の流れを長手方向に拘束してきた。p型GaNは抵抗率が高いため、薄い金属膜が、p型GaNに電流を広げるための半透明電極12として用いられた。半透明電極12の透明性は100%であるべきことが望ましい。しかしながら、GaNベースのLEDで使われている薄い金属電極におけるその値は、せいぜい70%である。さらに、パッド電極10は、ワイヤボンディング用に形成されなくてはならず、そのワイヤボンディングはLED内部から発生される光を暗くする。その結果、光取り出し効率は、極めて低くなることが予想される。





図2は、フリップチップ型LED構造の模式的な断面図である。この構造は、透明なサファイア基板24、n型層26、n型電極28、活性領域30、p型層32、p型電極34、ハンダ36およびホストサブマウント(host submount)38を含む。外部効率を上げるためには、光はフリップチップ型LED構造の透明なサファイア基板24を介して取り出しされ得る。本方法は、薄い金属膜とパッド電極による光吸収が減少する従来型LEDに比べ、有利である。しかしながら、活性領域から発する光のほとんどは、基板24とn型層26の界面、および、基板24と空気との間の界面で反射される。





サファイア基板からGaN膜を剥がす方法は「レーザリフトオフ」(LLO)技術と呼ばれている。この方法をフリップチップ型GaNベースのLEDに適用することで、サファイア基板のないGaNのLEDが実現され得る。この結果得られるGaN表面は非平面の配向に加工されると仮定すると、光取り出し効率の著しい向上が期待される。





光取り出し効率を上げる別のアプローチは、LEDの表面を粗くすることである[5](特許文献1)。このアプローチは、内部の光反射を弱め、光を上方に散乱させる。しかしながら、表面の粗いLEDは、材料がリン化ガリウム(GaP)系との関連でのみ述べられてきた。なぜなら、GaNは非常に耐久性ある材料で、通常の湿式エッチング方法では大した効果が出ないからである。このように、光散乱のために半導体表面を粗くしようというアイデアは、1970年代に最初に考えられたにも関わらず、この種のLED構造で製造するのは、困難でコスト高であると信じられてきた。





しかしながら、上述のように、典型的なGaNベースのLEDは、サファイアまたは炭化ケイ素(SiC)基板の上に、薄いp-GaN/活性層/n-GaN膜で構成されている。粗い表面を製造するためには、ある程度のGaN厚さが必要である[6](非特許文献5)が、p-GaNは抵抗率が比較的高いため、厚いp-GaNを成長させることは望ましいことではない。そのため、光がp-GaNを介して取り出されるなら、p-GaN表面に半透明なコンタクトが必要である。また、表面を粗くするための乾式エッチング[7](非特許文献6)のような処理は、電気的特性の劣化を招き得る。有機金属化学気相成長法(MOCVD)によって、p側を下にする構造を成長させることも、望ましくない。なぜなら、マグネシウム(Mg)メモリ効果[8](非特許文献7)によって、活性層が劣化するからである。





最近、レーザリフトオフ(LLO)方法が、基板に成長したGaN膜から、サファイア基板を剥がすために使われている[9-11](非特許文献8、非特許文献9、非特許文献10)。さらに、LLOはGaNベースのLED製造にも用いられてきている[12、13](非特許文献11、非特許文献12)。しかしながら、この技術が表面形状や光取り出し効率に与える影響についての文献はない。





一方、本発明において、フリップチップ技術[14](非特許文献13)とLLO方法を利用すると、基板のない窒素(N)側を上とするGaNベースのLED構造が作成できる。その後、異方性エッチングプロセスは、N側を上とするGaNベースのLEDの表面を粗くするために、用いられ得る。この結果得られる六角形状「擬円錐」表面は、光取り出しには優位である。表面を最適に粗くしたLEDの光取り出し効率は、粗くする前のLEDに比べ、100%を超す増加率を示す。





かねてから、GaNは異方性エッチングが難しいと考えられていることには注意したい。これは、GaNが他の半導体材料に比べ、化学的に安定な材料だからである。乾式エッチングを用いると、ざらつきある(textured)表面は可能であるが、フォトリソグラフィなどの特殊処理を必要とし、GaN上に細かい擬円錐表面を作ることは不可能である。





光強化化学(photo-enhanced chemical)(PEC)エッチングは、ガリウム面(Ga面)GaNに用いられ、小さなピットが表面に形成される。このことは、PECエッチングが窒素面(N面)GaNに使われた場合、はっきりとした擬円錐の形態が得られるのと、対照的である。LLO技術を用いて製造したGaNベースのLEDについては、少数の報告がなされているが、本発明は異方性エッチング方法を用いて、GaNベースのLEDのN-面GaN表面上に擬円錐構造を製造する。

【特許文献1】

国特許第3,739,217号明細書

【非特許文献1】

ンターネット<URL:http://www.cree.com/News/news175.asp>

【非特許文献2】

.Kawakami、Y.Narukawa、K.Omae、S.Fujita、および、S.Nakamura、Phys.Stat.Sol.(a)178、 331(2000)

【非特許文献3】

.Nishida、H.Saito、および、N.Kobayashi、Appl.Phys.Lett. 79、 711(2001)

【非特許文献4】

.Billeb、W.Grieshaber、D.Stocker、E.F.Schubert、R.F.Karlicek,Jr.、Appl.Phys.Lett. 70、2790(1997)

【非特許文献5】

hul Huhら、Appl.Phys.Lett.93、9383(2003)

【非特許文献6】

.A.Cao、S.J.Pearton、A.P.Zhang、G.T.Dang、F.Ren、R.J.Shul、L.Zhang、R.Hickman、および、J.M.Van Hove、Appl.Phys.Lett.75、2569 (1999)

【非特許文献7】

.Ohba、および、A.Hatano、J.Crystal.Growth 145、214(1994)

【非特許文献8】

.S.Wong、T.Sands、N.W.Cheung、M.Kneissl、D.P.Bour、P.Mei、L.T.Romano、および、N.M. Johnson、 Appl.Phys.Lett. 72、1999(1998)

【非特許文献9】

.R.Tavernier、および、D.R.Clarke、J.Appl.Phys. 89、1527(2001)

【非特許文献10】

.F.Chu、C.C.Yu、H.C.Cheng、C.F.Lin、および、S.C.Wang、Jpn.J.Appl.Phys.42、L147(2003)

【非特許文献11】

.S.Wong、T.Sands、N.W.Cheung、M.Kneissl、D.P.Bour、P.Mei、L.T.Romano、N.M.Johnson、「Fabrication of thin-film InGaN light-emitting diode membranes by laser lift off」、Appl.Phys.Lett.、75(10)1360(1999)

【非特許文献12】

.S.Wong、T.Sands、N.W.Cheung、M.Kneissl、D.P.Bour、P.Mei、L.T.Romano、N.M.Johnson、「InXGa1-XN light emitting diodes on Si substrates fabricated by Pd-In metal bonding and laser lift-off」、Appl.Phys.Lett.、77(18)2822(2000)

【非特許文献13】

.J.Wierer、D.A.Steigerwald、M.R.Krames、J.J.O’Shea、M.J.Ludowise、N.F.Gardner、R.S.Kern、および、S.A.Stockman、Appl.Phys.Lett. 78、3379(2001)

【非特許文献14】

.S.Minsky、M.White、および、E.L.Hu、Appl.Phys.Lett. 68、1531(1996)

【非特許文献15】

.Youtsey、L.T.Romano、および、I.Adesida、Appl.Phys.Lett. 73、797(1998)

産業上の利用分野



(1.発明の分野)

本発明は、発光ダイオードに関する。より特定的には、表面粗化による高効率の(B,Al,Ga,In)Nベースの発光ダイオードに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
(Al,Ga,In)N化合物半導体の発光ダイオード(LED)であって、発光層からの光が、基板の除去により露出した該発光ダイオードn型層の窒素面(N面)表面を介して取り出され、該露出したN面表面は複数の錐体に構築され、該露出したN面表面上の錐体のうち少なくともいくつかの錐体の底面のサイズまたは錐体の底面からの高さは該発光ダイオード内の光の波長に近く、発光ダイオード内の光が散乱または回折されることにより、LED内部で繰り返し起こる光の反射を低減し、発光層からN面表面の外への光取出しを増加することを特徴とする、発光ダイオード。

【請求項2】
前記構築されたn型層のN面表面が、異方性エッチングを施されたN面表面である、請求項1に記載の発光ダイオード。

【請求項3】
前記異方性エッチングを施されたN面表面は、ドライエッチングを施されたN面表面である、請求項2に記載の発光ダイオード。

【請求項4】
前記異方性エッチングを施されたN面表面は、フォトエンハンスト化学(PEC)エッチングを施されたN面表面である、請求項2に記載の発光ダイオード。

【請求項5】
前記N面表面が、レーザリフトオフ(LLO)法により露出される、請求項1に記載の発光ダイオード。

【請求項6】
前記発光ダイオードは、c面窒化ガリウム(GaN)ウェハ上で成長し、ガリウム面(Ga面)がp型層の表面である、請求項1記載の発光ダイオード。

【請求項7】
前記発光ダイオードが、n型電極、n型層、活性領域、p型層およびp型電極で構成される、請求項1記載の発光ダイオード。

【請求項8】
前記n型層、活性領域およびp型層が、それぞれ(Al,Ga,In)N化合物半導体からなる、請求項7記載の発光ダイオード。

【請求項9】
前記p型電極が、高反射特性を有し、光吸収を減らし、前記n型層の前記表面に向かう光反射を増やす、請求項7に記載の発光ダイオード。

【請求項10】
前記発光ダイオードが、前記n型電極の下に位置合わせされた電流ブロック層を含み、該n型電極の下への電流集中の抑制によって、該n型電極の下での光放射の吸収防止と、光取り出し効率の増加とを可能とする、請求項7に記載の発光ダイオード。

【請求項11】
前記発光ダイオードが、発光面積を著しく減らすことなく、該発光ダイオードの前記側壁を流れるリーク電流を抑制する、絶縁体から作成された電流閉じ込め枠を含む、請求項7に記載の発光ダイオード。

【請求項12】
前記構築されたN面表面が、N面表面に対して
2sin-1(nair/ns
以下の角度のファセットを有する複数の六角形状の錐体からなり、ここで、nairは大気の屈折率で、ns は前記(Al,Ga,In)N化合物半導体の屈折率である、請求項1記載の発光ダイオード。

【請求項13】
前記構築されたN面表面が、エポキシが塗布されたN面表面の場合、N面に対して
2sin-1(nenc/ns
以下の角度のファセットを有する複数の六角形状の錐体からなり、ここでnencはエポキシの屈折率で、nsは前記(Al,Ga,In)N化合物半導体の屈折率である、請求項1に記載の発光ダイオード。

【請求項14】
(Al,Ga,In)N化合物半導体発光ダイオード(LED)を作製する方法であって、基板を除去することにより該発光ダイオードのn型層の窒素面(N面)表面を露出させ、
該露出したn型層を複数の錐体に構築することを特徴とし、該露出したN面表面上の錐体のうち少なくともいくつかの錐体の底面のサイズまたは錐体の底面からの高さは該発光ダイオード内の光の波長に近く、発光ダイオード内の発光層からの光が散乱または回折されることにより、発光ダイオード内部で繰り返し起こる光の反射を低減し、前記発光層からN面表面の外への光取り出しを増加することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。

【請求項15】
前記構築するステップが、異方性エッチングを用いて実行される、請求項14に記載の発光ダイオードの製造方法。

【請求項16】
前記異方性エッチングがドライエッチングである、請求項15に記載の発光ダイオードの製造方法。

【請求項17】
前記異方性エッチングがウェットエッチングである、請求項15に記載の発光ダイオードの製造方法。

【請求項18】
前記ウェットエッチングがフォトエンハンスト化学(PEC)エッチングである、請求項17に記載の発光ダイオードの製造方法。

【請求項19】
n型電極、n型層、活性領域、p型層およびp型電極からなる(Al,Ga,In)N化合物半導体の発光ダイオード(LED)の製造方法であって、該n型層の窒素面(N面)表面は基板を除去することにより露出され、該露出したN面表面は、複数の錐体に構築され、該露出したN面表面上の錐体のうち少なくともいくつかの錐体の底面のサイズまたは錐体の底面からの高さは光の波長に近く、発光ダイオード内の光が散乱または回折されることにより、該発光ダイオード内部で繰り返し起こる光の反射を低減し、それにより、該n型層の該構築されたN面表面を介した光の取り出しを増加する、発光ダイオードの製造方法。

【請求項20】
前記n型層の窒素面(N面)表面が、異方性エッチングを用いて構築される、請求項19に記載の発光ダイオードの製造方法。

【請求項21】
前記異方性エッチングがドライエッチングである、請求項20に記載の発光ダイオードの製造方法。

【請求項22】
前記異方性エッチングがウェットエッチングである、請求項20に記載の発光ダイオードの製造方法。

【請求項23】
前記ウェットエッチングがフォトエンハンスト化学(PEC)エッチングである、請求項22に記載の発光ダイオードの製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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JP2005512858thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 中村不均一結晶プロジェクト 領域
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