JP4804485B2 - 窒化物半導体発光素子及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体発光素子及び製造方法に関するもので、より詳細には局部的なパターン構造を用いて光抽出効率を向上させた窒化物半導体発光素子及び製造方法に関するものである。

一般的に、窒化物半導体はフルカラーディスプレイ、イメージスキャナ、各種信号システム及び光通信機器に光源として提供される緑色または青色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ:ＬＥＤ）に広く用いられている。このようなＬＥＤは電子と正孔の再結合原理を用いる活性層において光を生成し放出させる。

窒化物半導体発光素子の光効率は、内部量子効率(ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉdｅｎｃｙ)と光抽出効率(ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉdｅｎｃｙ、または"外部量子効率"ともする)により決まる。特に、光抽出効率は発光素子の光学的因子、即ち、各構造物の屈折率及び／または界面の平滑度(ｆｌａｔｎｅｓｓ)等により大きく影響を受ける。

しかし、光抽出効率の側面において窒化物半導体発光素子は根本的な制限事項がある。

発光素子を構成する窒化物半導体層は、外部大気や基板に比べ、大きな屈折率を有するため、光の放出可能な入射角の範囲を決める臨界角が小さく、その結果、活性層から発生した光の多くは内部全反射され実質的に望まない方向に伝播されるか、全反射過程において損失し、光抽出効率は低いはずである。より具体的には、窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮの屈折率は２.４であるため、活性層において生成された光の出射角はＧａＮ／大気界面における臨界角である２３.６°より大きい場合に内部全反射が起き、側面方向に進行され損失されるか望む方向に放出されず、実際の光抽出効率は約１３%に過ぎなく、これと類似にサファイア基板の屈折率は１.７８であるため、サファイア基板／大気界面における光抽出効率は低いという問題がある。

また、ワイヤにより外部装置と連結される電極パッドの部分では活性層から発生した光が吸収され光抽出効率が低下する問題がある。

このように、窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体層の固有屈折率による光学的特性と、電極パッド等のような必需的な外部連結構造により光抽出効率が低下する問題がある。従って、当技術分野では光抽出効率の改善効果を極大化できる新たな方案が要求される。

本発明は前記の従来技術の問題を解決するためのもので、その一目的は電極パッドの領域に位置した半導体構造の変更を通じ光抽出効率を改善する新たな窒化物半導体発光素子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、前記の窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。

前記の技術的課題を実現するため、本発明の一側面は、第１及び第２導電型窒化物半導体層とその間に形成された活性層を有する発光積層構造物と、前記第１及び第２導電型窒化物半導体層に夫々電気的に接続されるように形成された第１及び第２電極パッドと、前記第２電極パッドの下部に少なくとも前記第１導電型窒化物半導体層の一部までの深さを有するように形成された複数のパターンと、複数のパターンにより露出された発光積層構造物の領域と前記第２電極パッドが電気的に絶縁されるように前記複数のパターンの内部面に形成された絶縁膜を含む窒化物半導体発光素子を提供する。

好ましくは、前記複数のパターンは、夫々その深さに従って狭くなるように傾斜している側面を有することができる。

前記発光構造物は、前記第１導電型窒化物半導体層の一領域が露出されるようにメサエッチングされた構造を有し、前記第１電極パッドは前記露出された一領域に形成されることができる。この場合に、前記複数のパターンは前記メサエッチングされた深さと同じ深さを有するように形成されることができる。

好ましくは、第２導電型窒化物半導体層の上面に形成された透明電極層をさらに含むことができる。

前記第１及び第２電極パッドはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ及びその合金から構成されたグループから選ばれた物質からなる単一層または複数層であることができる。

具体的な実施形態において、前記複数のパターンは夫々約５〜約５０μｍの上端の幅を有することができる。

前記絶縁膜はＳｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ及びＡｌから構成されたグループから選ばれた元素を含んだ酸化物または窒化物であることができる。

本発明の好ましい実施形態において、少なくとも前記複数のパターンに位置した前記絶縁膜上に形成された高反射性金属層をさらに含むことができる。この場合に、前記高反射性金属層はＡｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びその合金から構成されたグループから選ばれた少なくとも一つからなることができる。

本発明の他の側面は、第１及び第２導電型窒化物半導体層とその間に形成された活性層を有する発光積層構造物を設ける段階と、第２電極パッドが形成される第２導電型窒化物半導体層の領域に少なくとも前記第１導電型窒化物半導体層の一部までの深さを有する複数のパターンを形成する段階と、前記複数のパターンの内部面に絶縁膜を形成する段階と、前記第１及び第２導電型窒化物半導体層に夫々電気的に接続されるように第１及び第２電極パッドを形成する段階を含む窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明の具体的な実施形態において、前記第１電極パッドが形成される前記第１導電型窒化物半導体層の一領域が露出されるように前記発光積層構造物をメサエッチングする段階をさらに含むことができる。この場合には、前記複数のパターンを形成する段階は、前記メサエッチングする段階と同時に実行されることが好ましい。

好ましくは、前記絶縁膜の形成段階と前記第２電極パッドの形成段階の間に少なくとも前記複数のパターン部に位置した前記絶縁膜上に高反射性金属層を形成する段階をさらに含むことができる。

前述のように、本発明は、電極パッドの下部に位置した窒化物単結晶領域にパターン部を形成することにより内部の光経路を変更させ光抽出効率を向上させることができる。特に、傾斜面は、窒化物単結晶の結晶面に従って傾斜している面を有することができるので、光経路の変更を通じた抽出効率の改善効果をより増進させることができる。また、好ましい実施形態においては、前記パターンの内部面に高反射性金属層を提供することによりパッド物質による光損失を防ぎ、光経路をより効果的に変更させ光抽出効率を大きく向上させることができる。

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施形態をより詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。

図１を参照すると、垂直構造の窒化物半導体発光素子１０が図示されている。前記窒化物半導体発光素子１０は第１及び第２導電型窒化物半導体層１３、１５とその間に形成された活性層１４を有する発光積層構造物を含む。前記発光積層構造物はバッファ層１２が形成された導電性基板１１の上面に形成される。前記導電性基板１１はＧａＮ基板またはＳｉ基板であることができる。

前記窒化物半導体発光素子１０は、前記第１及び第２導電型窒化物半導体層１３、１５に電気的に接続されるように形成された第１及び第２電極パッド１９ａ、１９ｂを含む。本実施形態において、前記第１電極パッド１９ａは前記導電性基板１１の下面に提供され、第２電極パッド１９ｂは第２導電型窒化物半導体層１５上に形成された透明電極層１６に提供される。前記第１及び第２電極パッド１９ａ、１９ｂはワイヤボンディングまたは直接実装を通じ外部装置(未図示)と連結するための部分でＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ及びその合金から構成されたグループから選ばれた物質からなる単一層または複数層であることができる。

本実施形態において、第２電極パッド１９ｂの下部に位置した発光積層構造物に複数のパターンＨが形成される。前記複数のパターンＨは少なくとも前記第２導電型窒化物半導体層１５から前記活性層１４を通って第１導電型窒化物半導体層１３の一部までの深さを有する。前記パターンＨを形成するための選択的なエッチング工程において前記パターンＨの内部面は窒化物単結晶の特定結晶面を有するように形成されることができる。

従って、前記複数のパターンＨは夫々その深さに従って狭くなるように傾斜している側面を有することができる。具体的な実施形態において、前記複数のパターンＨは夫々約５〜約５０μｍの上端の幅を有することができる。

前記複数のパターンＨの内部面には絶縁膜１７が形成される。前記絶縁膜１７は前記パターンＨにより露出された第１導電型窒化物半導体層１３と活性層１４部分を前記第２電極パッド１９ｂと電気的に絶縁させる。このような絶縁膜１７はＳｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ及びＡｌから構成されたグループから選ばれた元素を含んだ酸化物または窒化物であることができる。

このように、本実施形態の窒化物半導体発光素子１０では、第２電極パッド１９ｂの下部に複数のパターンＨを形成し、その内部に金属が充填されるため、前記活性層１４から発生した光の経路を多様に変更させることができる。従って、前述の通り、経路が変更された光は、窒化物単結晶と大気の屈折率の差異により制限される光抽出許容臨界角範囲内の角で界面に入射される確率を高めることができ、結果的に発光素子１０の光抽出効率を向上させることができる。

また、局部的なエッチングにより形成されたパターンＨには前記絶縁膜１７が形成されるため、前記第２電極パッド１９ｂは他の局部的な領域に限って前記透明電極層１６と直接接続される。従って、電流は前記第２電極パッド１９ｂの分散された局部的な接続領域を通じ流れるようになるので、電流密度が集中される領域が多少緩和され電流の分散効果が期待できる。

図２は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。

図２を参照すると、図１の実施形態と異なり、同一面方向に両電極が配置された水平型窒化物半導体発光素子２０が図示されている。

前記窒化物半導体発光素子２０は、第１及び第２導電型窒化物半導体層２３、２５とその間に形成された活性層２４を有する発光積層構造物を含む。前記発光積層構造物はバッファ層２２が形成された基板２１の上面に形成される。前記基板２１はサファイア基板のような絶縁性基板であることができる。

前記窒化物半導体発光素子２０は、前記第１及び第２導電型窒化物半導体層２３、２５に電気的に接続されるように形成された第１及び第２電極パッド２９ａ、２９ｂを含む。本実施形態において、第２電極パッド２９ｂは第２導電型窒化物半導体層２５上に形成された透明電極層２６に提供されるが、基板は絶縁性基板であるため、前記第１電極パッド２９ａは別途のメサエッチング工程を通じ露出された第１導電型窒化物半導体層２３の領域に直接形成される。前記第１及び第２電極パッド２９ａ、２９ｂはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ及びその合金から構成されたグループから選ばれた物質からなる単一層または複数層であることができる。

また、図１に図示された実施形態と類似に、第２電極パッド２９ｂの下部に位置した発光積層構造物に複数のパターンＨが形成される。前記複数のパターンＨは少なくとも前記第２導電型窒化物半導体層２５から前記活性層２４を通って第１導電型窒化物半導体層２３の一部までの深さを有する。本実施形態において、パターンＨ形成工程は第１電極パッド２９ａ形成領域を提供するためのメサエッチング工程とともに実施されることが好ましい。これはパターンＨ形成時に別途の追加的な工程なくメサエッチングに用いられるマスクを変更させることにより従来のメサエッチング工程と同時に容易に実行できる。この場合に、図２に図示されたとおり、パターンＨはメサエッチングの深さと略同じ深さで形成される。これに対しては図３ｂでより詳細に説明する。

前記複数のパターンＨの内部面には絶縁膜２７が形成される。前記絶縁膜２７は前記パターンＨにより露出された第１導電型窒化物半導体層２３と活性層２４部分を前記第２電極パッド２９ｂと電気的に絶縁させる。このような絶縁膜２７はＳｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ及びＡｌから構成されたグループから選ばれた元素を含んだ酸化物または窒化物であることができる。

このように、本実施形態の窒化物半導体発光素子２０で、前記活性層２４から発生した光は第２電極パッド２９ｂの下部に提供された複数のパターンＨ構造により発光積層構造物の内部で様々な経路に変更されることができるので、光抽出効率を高めることができ、結果的に発光素子２０の光抽出効率を向上させることができる。前記第２電極パッド２９ｂの分散された局部的な接続領域に従って電流を選択的に導通させるので、多少の電流分散効果を期待することもできる。

本発明で採用された複数のパターン構造は、構造自体により発光積層構造物の内部における光経路を変更し光抽出効率を向上させることに、有益に作用することはできるが、電極パッド物質による光吸収を防ぐと同時に光経路を変更する効果を向上させるために、前記複数のパターンに位置した前記絶縁膜上に高反射性金属層を追加で形成することが好ましい。このような実施形態において図３ａ乃至図３ｄに図示された 工程断面図に基づいてより詳細に説明する。

図３ａ乃至図３ｄは、本発明の好ましい実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を示す工程断面図である。

本実施形態の製造方法は、第１及び第２導電型窒化物半導体層３３、３５とその間に形成された活性層３４を有する発光積層構造物を設ける段階から始まる。本工程は、図３ａのようにサファイア基板３１上に低温窒化物成長層のような窒化物単結晶の成長のためのバッファ層３２を形成し、続いて発光積層構造物のための窒化物単結晶の成長工程で実行されることができる。本窒化物単結晶の成長工程はＭＯＣＶＤ、ＭＢＥのような公知の成長工程により実行されることができる。前記第２導電型窒化物半導体層３５上には電流分散効果の向上のために透明電極層３６を追加で形成することができる。

次いで、第２電極パッド(図３ｄの３９ｂ)が形成される第２導電型窒化物半導体層３５の領域に少なくとも前記第１導電型窒化物半導体層３３の一部までの深さｄを有する複数のパターンＨを形成する。本実施形態のように、第１電極パッド(図３ｄの３９ａ)が形成される領域を確保するためのメサエッチングが要求される場合には、図３ｂに図示されたように、メサエッチング工程をパターンＨ形成のためのエッチング工程と同時に実施されることができる。また、前述のように、本発明に採用されたパターンＨは、発光積層構造物の内部で光経路をより効果的に変更するために活性層３４を通って第１導電型窒化物半導体層３３の少なくとも一部まで延長された深さｄで形成されるため、本パターン形成工程は第１導電型窒化物半導体層３３の露出のためのメサエッチング工程と適切に結合され実施されることができ、パターンを形成するためのエッチング工程を別途で追加しなくて済む。

このようなエッチング工程から得られたパターンＨの内部面は窒化物単結晶の結晶面により定義される傾斜面を有することができる。このような傾斜面は光経路をより効果的に変更することに有益に作用することができる。

次いで、図３ｃのように、パターンＨにより露出された第１導電型窒化物半導体層３３と活性層３４の部分が後続工程に形成される第２電極パッド３９ｂとの接続を防ぐために前記複数のパターンＨの内部面に絶縁膜３７を形成する。前記絶縁膜３７はこれに限定はされないが、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ及びＡｌから構成されたグループから選ばれた元素を含んだ酸化物または窒化物であることができる。好ましくは、図３ｃに図示されたように本絶縁膜３７形成工程に連続して前記絶縁膜３７上には追加的に高反射性金属層３８を形成することができる。前記高反射性金属層３８は後続工程で形成される電極パッド物質による光吸収を防ぎ光効率をより改善すると同時に、光抽出効率をより向上させることができる。前記高反射性金属層３８はこれに限定はされないが、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びその合金から構成されたグループから選ばれた少なくとも一つからなることができる。

最終的に、図３ｄのように、前記第１及び第２導電型窒化物半導体層３３、３５に夫々電気的に接続されるように第１及び第２電極パッド３９ａ、３９ｂを形成する。ここで、前記第２電極パッド３９ｂの場合にはパターンＨの残りの内部領域に充填されるように形成されることができる。前記第１及び第２電極パッド３９ａ、３９ｂはこれに限定されないが、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ及びその合金から構成されたグループから選ばれた物質からなる単一層または複数層で形成されることができる。前述のように、第２電極パッド３９ｂのうちパターンＨに接続される領域は絶縁膜３７により電流導通が制限されながら前記透明電極層３６と直接接続される領域にのみ電流が導通されるので、付随的に電流拡散効果も期待できる。

図３ｄに図示された窒化物半導体発光素子３０は第２電極パッド３９ｂによる光吸収を防ぎ、光損失を低減させるとともに、高反射性金属層３８により提供される高い反射面により光経路を変更する効果を大きく向上させることができる。

このように、本発明は前述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、前述の請求範囲により限定し、請求範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有する者には自明である。

本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 本発明の好ましい実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の好ましい実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の好ましい実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の好ましい実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を示す工程断面図である。

符号の説明

１１、２１、３１ 基板
１２、２２、３２ バッファ層
１３、２３、３３ 第１導電型窒化物半導体層
１４、２４、３４ 活性層
１５、２５、３５ 第２導電型窒化物半導体層
１６、２６、３６ 透明電極層
１７、２７、３７ 絶縁膜
３８ 反射層

Claims (16)

1. 第１導電型窒化物半導体層及び第２導電型窒化物半導体層、並びに前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に形成された活性層を有する発光積層構造物と、
   前記第１導電型窒化物半導体層に電気的に接続されるように形成された第１電極パッドと、
   前記第２導電型窒化物半導体層に電気的に接続されるように形成された第２電極パッドと、
   前記第２電極パッドの下部に少なくとも前記第１導電型窒化物半導体層の一部までの深さを有し、深さに従って狭くなるように傾斜している側面をそれぞれ有するように形成され、前記第２電極パッドが充填された複数のパターンと、
   前記第２導電型窒化物半導体層の上面の、前記複数のパターンが形成された領域を除く領域に形成された透明電極層と、
   前記複数のパターンにより露出された前記発光積層構造物の領域と前記第２電極パッドが電気的に絶縁されるように前記複数のパターンの内部面に形成された絶縁膜と
   を含む窒化物半導体発光素子。
2. 前記発光積層構造物は、前記第１導電型窒化物半導体層の一領域が露出されるようにメサエッチングされた構造を有し、
   前記第１電極パッドは、前記露出された一領域に形成される請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記複数のパターンは、前記メサエッチングされた深さと同じ深さを有する請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記第１電極パッド及び前記第２電極パッドは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ及びその合金から構成されたグループから選ばれた物質からなる単一層または複数層である請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記複数のパターンのそれぞれは、５〜５０μｍの上端の幅を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記絶縁膜は、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ及びＡｌから構成されたグループから選ばれた元素を含んだ酸化物または窒化物である請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 少なくとも前記複数のパターンに位置した前記絶縁膜上に形成された高反射性金属層
   をさらに含む請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記高反射性金属層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びその合金から構成されたグループから選ばれた少なくとも一つからなる請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 第１導電型窒化物半導体層及び第２導電型窒化物半導体層、並びに前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に形成された活性層を有する発光積層構造物を設ける段階と、
   前記第２導電型窒化物半導体層の上面に透明電極層を形成する段階と、
   前記透明電極層から少なくとも前記第１導電型窒化物半導体層の一部までの深さを有し、深さに従って狭くなるように傾斜している側面をそれぞれ有する複数のパターンを形成する段階と、
   前記複数のパターンの内部面に絶縁膜を形成する段階と、
   前記第１導電型窒化物半導体層に電気的に接続されるように第１電極パッドを形成する段階と、
   前記絶縁膜が形成された前記複数のパターンを充填し、前記第２導電型窒化物半導体層に電気的に接続されるように第２電極パッドを形成する段階と
   を含む窒化物半導体発光素子の製造方法。
10. 前記第１電極パッドが形成される前記第１導電型窒化物半導体層の一領域に露出されるように前記発光積層構造物をメサエッチングする段階
    をさらに含む請求項９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
11. 前記複数のパターンを形成する段階は、前記メサエッチングする段階と同時に実行される請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
12. 前記第１電極パッド及び前記第２電極パッドは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ及びその合金から構成されたグループから選ばれた物質からなる単一層または複数層である請求項９から１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
13. 前記複数のパターンのそれぞれは、５〜５０μｍの上端の幅を有する請求項９から１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
14. 前記絶縁膜は、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ及びＡｌから構成されたグループから選ばれた元素を含んだ酸化物または窒化物である請求項９から１３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
15. 前記絶縁膜を形成する段階と前記第２電極パッドを形成する段階との間に、少なくとも前記複数のパターンに位置した前記絶縁膜上に高反射性金属層を形成する段階
    をさらに含む請求項９から１４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
16. 前記高反射性金属層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びその合金から構成されたグループから選ばれた少なくとも一つからなる請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

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