JP5635432B2 - 光電素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電素子及びその製造方法に関する。

近年、省エネルギー・二酸化炭素削減の議題が益々重要視されているため、発光ダイオードがバックライト及び照明の応用分野においてより重要となり、発光ダイオードの光取り出し率を向上する様々な方法が提案されている。光取り出し率を向上するには、いくつかの方法を使っても良いが、その中の一つの方法としては、エピタキシャル成長の品質を改善するために、電子と正孔との結合率を増加することにより、内部量子効率（ＩＱＥ）を向上することである。その一方、発光ダイオードが発生した光線は、効果的に取り出されないと、一部の光線は、全反射により発光ダイオードの内部において繰り返し反射又は回折され、最終的には電極又は発光層により吸収されてしまい、輝度を向上することができないので、表面粗化、又は、構造を変えた幾何学形状を用いることによって外部量子効率（ＥＱＥ）を向上する。光取り出し効率（ＬＥＥ）を向上することにより、発光ダイオードの輝度を向上することができる。

本発明の目的は、光取り出し効率を向上する構造を有する光電半導体素子を提供することにある。

本発明による発光素子は、基板と、前述の基板に形成され、第一シート抵抗値、第一厚み及び第一ドーパント濃度を有する第一ウィンドウ層と、第二シート抵抗値、第二厚み及び第二ドーパント濃度を有する第二ウィンドウ層と、前述の第一ウィンドウ層と前述の第二ウィンドウ層との間に形成される半導体システムと、を含み、そのうち、前述の第二ウィンドウ層及び前述の半導体システムは、異なる半導体材料であり、前述の第二シート抵抗値は、前述の第一シート抵抗値より低い。

また、本発明による光電半導体素子は、基板と、前述の基板に形成され、金属元素を有する金属層と、前述の金属元素を含む第一ウィンドウ層と、前述の金属層と前述の第一ウィンドウ層との間に形成される透明導電層と、を含み、そのうち、前述の第一ウィンドウ層の前述の金属元素の濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３より小さい。

また、本発明による光電発光素子は、基板と、前述の基板に形成されるｎ型ウィンドウ層と、前述のｎ型ウィンドウ層に形成される半導体システムと、前述の半導体システムに形成されるｐ型ウィンドウ層と、を含み、そのうち、前述の光電半導体素子は、駆動電流の密度が０．１〜０．３２ｍＡ／ｍｉｌ^２の下で、７０ルーメン／ワットの発光効率を有し、発した光は、琥珀色光と赤色光との間にある。

また、本発明による光電発光素子の製造方法は、基板を提供するステップと、前述の基板に半導体システムを形成するステップと、前述の半導体システムにウィンドウ層を形成するステップと、を含み、そのうち、前述のウィンドウ層及び前述の半導体システムは、異なる半導体材料により構成され、また、前述のウィンドウ層を除去し、これにより、前述のウィンドウ層と前述の半導体とに幅差を持たせるステップとをさらに含み、そのうち、前述の幅差は、１μｍ（マイクロメートル）より大きい。

本発明は、光取り出し効率を向上する構造を有する光電半導体素子を提供することができる。

本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、一製造ステップに対応する構造の側面断面図である。 本発明による光電半導体素子の一実施例の側面断面図である。 本発明による光電半導体素子の一実施例のＳＥＭ図である。 本発明による光電半導体素子の第一オーミック接触層の上面図である。

次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図１Ａないし図１Ｈは、本発明による製造方法により製造された本発明による光電半導体素子の、各製造ステップに対応する構造の側面断面図である。図１Ａを参照する。本発明による光電半導体素子の製造方法により、まず、基板１０１を提供する。基板１０１は、成長基板とされ、その上に光電システム１２０を成長又は積載させるために用いられる。前述の成長基板１０１を構成する材料は、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＬｉＡｌＯ_２、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮのうち一つ又はそれらの組合せを含むが、これに限らない。基板１０１を構成する材料は、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＬｉＡｌＯ_２、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ガラス、ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のうち一つ又はそれらの組合せを含む。

基板１０１には第一ウィンドウ層１１１が形成され、第一ウィンドウ層１１１の材料は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｎからなるグループから選択された少なくとも一つ又はそれらの組み合わせを含み、例えば、ＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＰの半導体化合物又はその他の代替材料であっても良い。第一ウィンドウ層１１１は、導電薄膜であり、例えば、ｎ型又はｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐであり、そのうち、０．５≦ｘ≦０．８である。第一ウィンドウ層１１１は、相対する二つの表面を有し、そのうち、第一表面は、基板１０１に接触する。

過渡層（図示せず）が基板１０１と第一ウィンドウ層１１１との間に選択的に形成される。前述の過渡層は、基板１０１と第一ウィンドウ層１１１との間に介在する緩衝層とされても良い。発光ダイオードの構造では、前述の過渡層は、二つの層の材料の間の格子不整合を減少するためのものである。その一方、前述の過渡層は、単層、多層、二つの種類の材料の結合、又は、二つの別々の構造であっても良く、そのうち、前述の過渡層の材料は、有機金属、無機金属、又は、半導体のうち任意の一つであっても良い。前述の過渡層は、反射層、熱伝導層、電気伝導層、オーミック接触層、抗変形層、応力釈放層、応力調整層、接合層、波長変換層又は固定構造などとされても良い。

光電システム１２０は第一ウィンドウ層１１１の第二表面に形成される。光電システム１２０は、少なくとも、第一ウィンドウ層１１１に順に形成される第一導電型の第一層１２１、変換ユニット１２２、及び、第二導電型の第二層１２３を含む。第一層１２１及び第二層１２３は、二つの単層構造又は二つの多層構造（多層構造とは、二層以上を指す）であっても良い。第一層１２１及び第二層１２３は、異なる導電型、電気的な特性、極性又はドーパントによる元素を有し、電子又は正孔を提供するためである。第一層１２１及び第二層１２３は、半導体材料の組合せであり、例えば、（Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、ここで、０．５≦ｘ≦０．８であり、前述の導電型は、ｎ型又はｐ型であっても良い。第一ウィンドウ層１１１及び第一層１２１は、同じ導電型を有し、例えば、同じｎ型の導電型を有する。第一ウィンドウ層１１１のドーパント濃度は、第一層１２１のドーパント濃度より大きく、比較的高い導電率を有する。変換ユニット１２２は、第一層１２１と第二層１２３との間に形成(堆積)され、変換ユニット１２２は、光エネルギーと電気エネルギーとの相互変換を行う、或いは、引き起こすことができる。光電システム１２０は、半導体素子、設備、製品、回路などに応用でき、これにより、光エネルギーと電気エネルギーとの相互変換を行い、或いは、引き起こす。具体的には、光電システム１２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、ソーラー電池、液晶表示器又は有機発光ダイオードのうち一つを含んでも良い。変換ユニット１２２は、電気エネルギーを光エネルギーに変換し、光電システム１２０は、発光ダイオード、液晶表示器、又は有機発光ダイオードであっても良い。変換ユニット１２２は、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、光電システム１２０は、ソーラー電子又は光電ダイオードであっても良い。なお、本明細書における「光電システム」は、各層が半導体材料により構成されるものに限られず、非半導体材料であっても良く、例えば、金属、酸化物、絶縁材料などである。

発光ダイオードを例とすると、光電システム１２０の中の一つの層又は複数の層の物理又は化学成分を変更することにより、発する光の波長を調整することができる。常用の材料は、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＮ系、ＺｎＯ系である。変換ユニット１２２は、シングルヘテロ構造（ＳＨ）、ダブルヘテロ構造（DHS）、両面ダブルヘテロ構造（ＤＤＨ）、多層量子井戸（ＭＷＱ）であっても良い。具体的には、変換ユニット１２２は、複数の阻止層及び量子井戸層が交替にスタックされる多層量子井戸構造を含み、各阻止層は、（Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐを含み、そのうち、０．５≦ｙ≦０．８であり、また、各量子井戸層は、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐを含む。また、発する光の波長の調整も、阻止層及び量子井戸層の数、又は、阻止層の成分を変更することにより行われ、例えば、赤色の光の波長は、６００〜６３０ｎｍであり、そのｙの成分は、約０．７であり、また、琥珀色の光の波長は、５８０〜６００ｎｍであり、そのｙの成分は、約０．５５である。

第二ウィンドウ層１１２が光電システム１２０の第一表面に形成され、その材料は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｎからの少なくとも一つ又はそれらの組合せを含み、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ又はその他の適切な材料であっても良い。第二ウィンドウ層１１２は、光電システム１２０又は第二層１２３と異なる少なくとも一つの材料を含む。好ましくは、第二ウィンドウ層１１２は、第二層１２３と同じ導電型を有し、例えば、ｐ型ＧａＰ層である。もう一つの実施例では、第二ウィンドウ層１１２の側壁及び／又は光電システム１２０は、直交しなくても良く、例えば、図３に示すような斜角を有しても良い。

その後、第一オーミック接触層１３０が第二ウィンドウ１１２に形成され、第一オーミック接触層１３０の材質は、導電材料であり、例えば、ＢｅＡｕ又はＧｅＡｕの合金層であり、図１Ａに示すような第一スタック構造１０を形成し、そのうち、第一オーミック接触層１３０は、図４に示すように、電極１３１から境界へ延伸する複数の指状電極１３２を含む。第一合金化過程の温度が３００〜５００℃又はそれ以上であり、第一オーミック接触層１３０と第二ウィンドウ層１１２との間のオーミック接触を形成する。なお、前述の合金化過程の詳細は、当業者に良く知られている。

その後、図１Ｂに示すように、第一オーミック接触層１３０及び第二ウィンドウ層１１２に一時基板１０２を接合し、該一時基板１０２の材質は、例えば、ガラスである。また、図１Ｃに示すように、基板１０１を除去し、第一ウィンドウ層１１１の第一表面を露出させる。

その後、第二オーミック接触層１４０が第一ウィンドウ層１１１の第一表面に形成される。第二オーミック接触層１４０の材質は、導電材料であり、例えば、図１Ｄに示すように、ＢｅＡｕ又はＧｅＡｕの合金層である。そのうち、第二オーミック接触層１４０は、複数の二次元のドット電極アレーを含み、これらのドット電極アレーは、好ましくは、図１Ｄに示すように、垂直方向に、第一オーミック接触層１３０の第一スタック構造１０及び指状電極１３２と重なり合わず、好適な電流分散効果を有する。第二合金化過程の温度が３００〜５００℃又はそれ以上であり、第二オーミック接触層１４０と第一ウィンドウ層１１１の間のオーミック接触を形成する。なお、前述の合金化過程の詳細は、当業者に良く知られている。

電子束又はスパッタリングを利用して第二オーミック接触層１４０を覆う透明導電層１４１を形成し、そのうち、透明導電層１４１の材料は、金属酸化物を含み、例えば、ＩＴＯ、ＣＴＯ、アンチモン酸化スズ、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム及び亜鉛スズ酸化物からの少なくとも一つを含み、その厚みは、約０．００５μｍ〜０．６μｍ、０．００５μｍ〜０．５μｍ、０．００５μｍ〜０．４μｍ、０．００５μｍ〜０．３μｍ、０．００５μｍ〜０．２μｍ、０．２μｍ〜０．５μｍ、０．３μｍ〜０．５μｍ、０．５μｍ〜０．４μｍ、０．２μｍ〜０．４μｍ、又は、０．３μｍ〜０．２μｍである。

図１Ｅに示すように、反射層１５０が透明導電層１４１に形成され、その材質は、導電材料であり、金属例えば銀を含む。その後、図１Ｆのように、金属層１６０を結合層として利用し、反射層１５０を保持基板１０３に接合する。本実施例では、保持基板１０３は、シリコンを含む。金属層１６０は、金、錫、鉛、ＩｎＡｕ、ＳｎＡｕからの少なくとも一つ又はそれらの合金を含む。

一時基板１０２を除去し、第一オーミック接触層１３０及び第二ウィンドウ接触層１１２を露出させ、リソグラフィーを利用して保持基板１０３に複数のチップ領域（図示せず）をエッチングで形成する。そのうち、エッチングに用いるエッチング剤は、例えば、ドライエッチングの場合は、弗素（Ｆ）又は塩素（Ｃｌ）を含み、また、第二ウィンドウ層１１２をエッチングする速度は、前述のエッチング剤で光電システム１２０をエッチングする速度より大きく、これにより、光電システム１２０或いは第二導電型層１２３の表面に第一エッチングプラットホームＳ１を形成する。図１Ｇに示すように、光電システム１２０及び第二導電型層１２３の幅は、第二ウィンドウ層１１２の幅より大きい。第二エッチングプラットホームＳ２が第一ウィンドウ層１１１に形成され、第一ウィンドウ層１１１の底部の幅は、光電システム１２０或いは第一導電型層１２１より大きい。

続いて、第二ウィンドウ１１２に対してウェットエッチングを行い、少なくとも第二ウィンドウ層１１２の露出表面及び側壁に粗化構造を形成し、そのうち、エッチング液は、例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ_３）及び酢酸を含み、また、第二ウィンドウ層１１２に対するエッチング速度は、光電システム１２０に対するエッチング速度より大きく、幅差Ｌ１を形成し、Ｌ１は、第一エッチングプラットホームＳ２の幅よりさらに拡大される。第二ウィンドウ層１１２は、光電システム１２０よりさらに増大した表面粗化度を有し、そのうち、幅差Ｌ１は、１μｍより大きく及び／又は１０μｍより小さく、図１Ｈ又は図３に示すようである。

最後に、第一パッド１７１が第一オーミック接触層１３０に形成され、第二パッド１７２が保持基板１０３に形成される。図２に示すように、鈍化層１８０が第二ウィンドウ層１１２及び第一オーミック接触層１３０を覆い、光電半導体素子を形成する。鈍化層１８０は、保護層とされ、環境による破壊（例えば、水分又は機械による破壊）から光電半導体素子を保護する。光電半導体素子の走査電子顕微鏡による写真は、図３に示される。

本発明の一実施例によれば、第一ウィンドウ層１１１は、半導体材料、例えば、（Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（そのうち、０．５≦ｘ≦０．８）を含む。反射層１５０は、金属元素、例えば、銀を含み、第一及び第二の合金化処理過程後に形成され、反射層の金属元素が第一ウィンドウ層１１１に拡散することを防ぐためである。第一ウィンドウ層１１１は、半導体材料を含み、好ましくは、第一層１２１の材料と同じ成分を有する。本発明の他の実施例によれば、そのうち、第一ウィンドウ層１１１の金属元素の濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３より小さい。好ましくは、金属元素の濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３より小さく、１×１０^１６ｃｍ^−３より大きい。反射層１５０の劣化を下げることにより、反射層１５０に、９０％より大きい反射率を持たせる。

表１は、本発明の実施例による光電素子のテストにより得られた光学効率を示し、光電素子は、サイズが小さいチップであり、例えば、サイズが１０ｍｉｌ^２のものである。２０ｍＡ又は０．２ｍＡ／ｍｉｌ^２の駆動電流の下で、光学効率は、７０ルーメン／ワットに達する。光電素子が、サイズが１４ｍｉｌ^２のチップである場合は、２０ｍＡ又は０．１ｍＡ／ｍｉｌ^２の駆動電流の下で、光学効率は、１００ルーメン／ワットに達する。光電素子が、サイズが２８ｍｉｌ^２のチップである場合は、２５０ｍＡ又は０．３２ｍＡ／ｍｉｌ^２の駆動電流の下で、光学効率は、約１０６ルーメン／ワットに達する。光電素子が、サイズが大きいチップであり、例えば、サイズが４２ｍｉｌ^２である場合は、３５０ｍＡ又は０．２ｍＡ／ｍｉｌ^２の駆動電流の下で、光学効率は、約１２１ルーメン／ワットに達する。表１によれば、公開されている光学効率により、駆動電流密度が０．１〜０．３２ｍＡ／ｍｉｌ^２の下で、少なくとも７０ルーメン／ワットに達し、或いは、少なくとも１００ルーメン／ワットに達することが分かる。

本発明の一実施例による光電素子では、第一ウィンドウ層１１１の薄膜のシート抵抗値は、第二ウィンドウ層１１２の薄膜のシート抵抗値より高い。また、第二オーミック接触層１４０と第一オーミック接触層１３０とは、垂直方向に重なり合わない。よって、駆動電流は、第二オーミック接触層１４０の付近に集まることになる。光電半導体素子が発した光線は、第二オーミック接触層１４０の領域に対応し、第一オーミック接触層１３０の領域により阻止されることがないので、電流阻止の機能を有し、横向き電流の拡散に有利である。

また、本発明の一実施例によれば、第一ウィンドウ層１１１のドーパント濃度は、第二ウィンドウ層１１２より低く、第一ウィンドウ層１１１のシート抵抗値は、第二ウィンドウ層１１２より低い。本発明の他の実施例によれば、第一ウィンドウ層１１１は、ドーパント濃度が約１×１０^１７〜５×１０^１７ｃｍ^−３であるｎ型ドーパントを含み、第二ウィンドウ層１１２は、ドーパント濃度が約１×１０^１８〜５×１０^１８ｃｍ^−３であるｐ型ドーパントを含み、第二ウィンドウ層１１２のドーパント濃度は、第一ウィンドウ層１１１より高い。本発明のもう一つの実施例によれば、第一ウィンドウ層１１１の厚みは、約１〜５μｍであり、第二ウィンドウ層１１２の厚みは、５〜２０μｍであり、第一ウィンドウ層１１１の厚みは、第二ウィンドウ層１１２より小さい。

本発明の他の実施例によれば、第二ウィンドウ層１１２の側壁の表面には粗化構造を有するので、光は、横向きに取り出されることができる。前述のチップ領域は、矩形の形状であっても良く、これにより、より高い発光効率を有することができる。前述の矩形の長さと幅の比は、１．５：１〜１０：１である。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。

１０ 第一スタック構造
１０１ 基板
１０２ 保持基板
１０３ 保持基板
１１１ 第一ウィンドウ層
１１２ 第二ウィンドウ層
１２０ 光電システム
１２１ 第一層
１２２ 変換ユニット
１２３ 第二層
１３０ 第一オーミック接触層
１３１ 電極
１３２ 指状電極
１４０ 第二オーミック接触層
１４１ 透明導電層
１５０ 反射層
１６０ 金属層
１７１ 第一パッド
１７２ 第二パッド
１８０ 鈍化層
Ｓ１ 第一エッチングプラットホーム
Ｓ２ 第二エッチングプラットホーム
Ｌ１ 幅差

Claims (11)

1. 光電半導体素子であって、
   基板と、
   前記基板に形成され、第一シート抵抗値と、第一厚みと、第一ドーパント濃度とを有する第一ウィンドウ層と、
   第二シート抵抗値と、第二厚みと、第二ドーパント濃度とを有する第二ウィンドウ層と、
   前記第一ウィンドウ層と前記第二ウィンドウ層との間に形成される半導体システムと、を含み、
   前記第二ウィンドウ層は、前記半導体システムと異なる半導体材料を含み、
   前記第二シート抵抗値は、前記第一シート抵抗値よりも低い、光電半導体素子。
2. 前記半導体システムは、第一導電型を有する第一半導体層と、第二導電型を有する第二半導体層と、前記第一半導体層と前記第二半導体層との間に形成される変換ユニットと、を含む、請求項１に記載の光電半導体素子。
3. 前記第二ウィンドウ層の幅及び前記半導体システムの幅は、幅差を有し、前記幅差は、１μｍよりも大きい、請求項１に記載の光電半導体素子。
4. 前記第二厚みは、前記第一厚みよりも大きく、及び／又は、前記第二ドーパント濃度は、前記第一ドーパント濃度よりも大きい、請求項１に記載の光電半導体素子。
5. 前記第二ウィンドウ層の上表面及び側壁は、不平坦な表面を有する、請求項１に記載の光電半導体素子。
6. 前記第二ウィンドウ層は、ｐ型半導体材料を含む、請求項１に記載の光電半導体素子。
7. 前記基板と前記第一ウィンドウ層との間に形成される透明導電層をさらに含む、請求項１に記載の光電半導体素子。
8. 前記透明導電層は、金属酸化物を含む、請求項７に記載の光電半導体素子。
9. 前記基板と前記透明導電層との間に形成される金属反射層をさらに含む、請求項８に記載の光電半導体素子。
10. 光電半導体素子であって、
    基板と、
    前記基板に形成されるｎ型ウィンドウ層と、
    前記ｎ型ウィンドウ層に形成される半導体システムと、
    前記半導体システムに形成されるｐ型ウィンドウ層と、
    を含み、
    前記光電半導体素子は、琥珀色の光又は赤色の光を発し、駆動電流の密度が０．１〜０．３２ｍＡ／ｍｉｌ^２の下で、少なくとも７０ルーメン／ワットの発光効率を有する、光電半導体素子。
11. 光電半導体素子の製造方法であって、
    基板を提供するステップと、
    前記基板に半導体システムを形成するステップと、
    前記半導体システムにウィンドウ層を形成するステップであって、前記ウィンドウ層は、前記半導体システムと異なる半導体材料を含む、ステップと、
    前記ウィンドウ層を選択的に除去し、これによって、前記ウィンドウ層及び前記半導体システムに幅差を持たせ、前記幅差は、１μｍよりも大きい、光電半導体素子の製造方法。

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