JP2008515180A - テクスチャード発光ダイオード - Google Patents

Abstract

高いフィルファクターを有するテクスチャード発光ダイオード構造体は、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）によってパターニングされた基板（１）に成膜されたドープＩＩＩ−Ｖ族若しくはドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含む第１のテクスチャードクラッド／コンタクト層（２）と、ＩＩＩ−Ｖ族若しくはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含み、電子と正孔の放射再結合又はサブバンド間遷移が発生するテクスチャード非ドープ又はテクスチャードドープ活性層（３）と、ドープＩＩＩ−Ｖ族若しくはドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含む第２のテクスチャードクラッド／コンタクト層（４）と、を含む。

Description

本発明は、可視光、赤外光又は紫外光を生成するテクスチャード（ｔｅｘｔｕｒｅｄ：テクスチャ加工）発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。より詳細には、本発明は、高い光出力のための高いフィルファクター（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）を有する高効率ＬＥＤデバイスに関する。

近年の化合物半導体分野の進展により、特に青色及び緑色の波長領域のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系デバイスにおいて可視スペクトル領域の新世代の発光ダイオード及びレーザーが開発されている。他のワイドバンドギャップ半導体に対する窒化物半導体の主な利点は、光デバイス内における劣化が少ないことである。近年、企業は新しい室内照明業界に参入するための取り組みを積極的に行っている。共通する考え方は、従来の白熱灯又は蛍光灯を、より信頼性があり、コンパクトな半導体光源であるＬＥＤランプによって置き換えることである。従来の白熱灯又は蛍光灯を置き換えることを目的とするＬＥＤ白色照明は、青色又は紫外（ＵＶ）ＬＥＤをダウンコンバートするために燐光体を使用したり、異なる波長のＬＥＤ（赤色、緑色、青色ＬＥＤ等）を組み合わせて使用するといった数少ない方法によってしか得ることはできなかった。

主な障害の１つは、特に青色及び緑色の波長領域におけるＬＥＤの低い発光効率（ｌｍ／Ｗ）である。現在のＡｌＩｎＧａＰ系赤色ＬＥＤは約６０〜８０ｌｍ／Ｗの発光効率を達成しているが、青色及び緑色ＬＥＤの発光効率は約２０ｌｍ／Ｗに達しているに過ぎない。現在の青色、緑色、白色ＬＥＤはサファイア又はＳｉＣ基板上に成長させている。ＧａＮ合金の高い屈折率及び平行な発光活性領域を有するＬＥＤ構造のために、光の８０％がＧａＮ層内に閉じ込められ、２０％のみがサファイア基板と上面を通過する。このような問題は、ＧａＡｓ上に成長させたＡｌＩｎＧａＰでも発生する。

内部全反射によって誘発される導波路効果を克服するために、ほとんどの研究は、内部全反射を生じさせないためにＬＥＤデバイスの形状と表面テクスチャを変更し、光取出効率を高めることに焦点を合わせている。ＡｌＩｎＧａＰ系赤色ＬＥＤでは、光取出効率を向上させるために発光活性層の上方に形成された逆角錐台構造と粗面を通常は使用している。

テクスチャードＬＥＤ構造体に関する本発明は、ＬＥＤからの光取出効率を向上させる新規なアプローチに基づくものである。従来のＬＥＤデバイスの活性領域は平面形状を有するため、活性発光領域とチップサイズの比であるフィルファクターは、サファイア基板上に成長させたＧａＮでは通常は１よりも小さく、ｎ型ＳｉＣ基板上に成長させたＧａＮ又はｎ−ＧａＮ単独又はＧａＡｓ上に成長させたＡｌＩｎＧａＰでは１以下である。後述する実施例では、溝状又は凸状テクスチャード構造を有するＬＥＤ構造体を形成し、表面活性発光領域のフィルファクターを向上させ、内部反射を弱め、化合物半導体及びその合金による吸収を減少させる。従って、テクスチャードＬＥＤによって非常に高い光出力パワーを達成することができる。
従来技術：
粗面化−「ｐ−ＧａＮ表面の微細粗面化によるＩｎＧａＮ系発光ダイオードの光出力及び電気的性能の向上（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ＩｎＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｂｙ ｍｉｃｒｏ−ｒｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ｏｆ ｐ−ＧａＮ ｓｕｒｆａｃｅ）」，Ｃ．Ｈｕｈ，ＫＳ Ｌｅｅ，ＥＪ Ｋａｎｇ，ＳＪ Ｐａｒｋ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ，９３（１１），９３８３〜９３８５頁，２００３
表面発光角度の変更：米国特許第６，７６８，１３６号、「放射線照射構造体（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）」

本発明の目的は、ＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族半導体を使用し、高い光出力のための１を超えるフィルファクターを有する高効率テクスチャードＬＥＤ構造体を提供することにある。

高いフィルファクターを有するテクスチャード発光ダイオード構造体であって、
エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）によってパターニングされた基板上に成膜されたドープＩＩＩ−Ｖ族若しくはドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含む第１のテクスチャードクラッド／コンタクト層と、
ＩＩＩ−Ｖ族若しくはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含み、電子と正孔の放射再結合又はサブバンド間遷移が発生するテクスチャード非ドープ又はテクスチャードドープ活性層と、
ドープＩＩＩ−Ｖ族若しくはドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含む第２のテクスチャードクラッド／コンタクト層と、
を含む構造体。

本発明の別の態様によれば、高いフィルファクターを有するテクスチャード発光ダイオード構造体であって、
エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）によってパターニングされた基板上に成膜されたｎ型ＩＩＩ−Ｖ族若しくはｎ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含むテクスチャードｎ−クラッド／コンタクト層と、
ＩＩＩ−Ｖ族若しくはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含み、電子と正孔の放射再結合が発生するテクスチャード活性層と、
ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族若しくはｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含むテクスチャード正孔発光層及びｐ型コンタクト層と、
を含む構造体が提供される。

本発明に係る構造体は、
導電性又は絶縁性基板と、
ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＬＰＥ、昇華、スパッタリング又はその他の適当な成膜法によって前記基板上に成膜されたＩＩＩ−Ｖ族若しくはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金と、
フォトリソグラフィ、電子ビーム又は集束イオンビームを使用した直接描写、走査トンネル顕微鏡法、ホログラフィ、ナノインプリント、陽極多孔質アルミナ、ウェットエッチング又はその他のパターニング法又は組み合わせ法を含むマスク法又はマスクレス法によって形成された前記基板上のパターンと、
を含むことができる。

テクスチャードクラッド／コンタクト層又は各テクスチャードクラッド／コンタクト層は単層、多層又は超格子であってもよい。テクスチャード正孔発光層及びｐ型コンタクト層は、単層、多層又は超格子であってもよい。

テクスチャード活性層は、ドープ又は非ドープダブルヘテロ構造体、単一量子井戸又は多重量子井戸であってもよい。

テクスチャードｎ−クラッド／コンタクト層又は各テクスチャードクラッド／コンタクト層は単層、多層又は超格子であってもよい。

導電性基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ又はその他の金属酸化物材料を含むことができる。

絶縁性基板は、サファイア、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＺｎＯ又はその他の金属酸化物材料を含むことができる。

本発明によれば、三次元（３Ｄ）凸状又は溝状ＬＥＤ構造を有するＬＥＤ設計が可能となる。三角形、六角形、凸状、凹状又は台形のＬＥＤ構造体のアレイによれば、三次元テクスチャにより拡大された活性発光領域によってフィルファクターは１よりも大きくなる。同時に、テクスチャード表面はデバイスの内部反射を弱めると共に化合物半導体及びその合金の吸収距離を減少させ、光取出効率を著しく向上させることができる。

図１（ａ）は、絶縁性基板１に成長させたｎ型化合物半導体層２を有する従来の平面型ＬＥＤ構造体の概略図であり、ｎ型コンタクト層３上に量子井戸又はダブルヘテロ構造の活性層３が成膜され、活性層３上にｐ型コンタクト層４が成膜されている。ｐ−コンタクト電極５がｐ型コンタクト層４上に形成され、ｎ−コンタクト電極６が、ドライ又はウェットエッチングによってエッチングされたｎ−コンタクト層２上に成膜されている。図１（ｂ）は、導電性ｎ型基板１上に形成された同様な平面型ＬＥＤ構造を示し、底部コンタクトとしてのｎ−コンタクト電極６がｎ型基板１に形成されている。

本発明の実施例は、エピタキシャル成長を行うためにパターニングされた化合物半導体を基板として使用し、テクスチャードｎ型クラッド／コンタクト層、活性層、ｐ型クラッド／コンタクト層を形成する。パターニングされた化合物半導体は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、チョクラルスキー法、昇華、水熱法、スパッタリング法又はその他の適当な成膜法とリソグラフィを組み合わせて形成することができる。パターニングには、マスク又はマスクレスリソグラフィ法を使用することができる。パターニングに使用する化合物半導体基板は、導電性又は絶縁性基板にホモエピタキシャル又はヘテロエピタキシャル成長させた化合物半導体であってもよく、導電性又は絶縁性基板はＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ又はその他の金属酸化物材料であってもよい。エピタキシャル横方向成長は、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ又はその他の適当な成膜法によって行うことができる。エピタキシャル成長させたＬＥＤ構造体の断面は、三角形、多角形、台形（ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ）、凸形状又は凹形状であってもよい。次に、そのようなＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を使用したテクスチャード高フィルファクターＬＥＤについて以下の実施例を参照して説明する。

図２はＩＩＩ−Ｖ族窒化物ＬＥＤ構造を示す。サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板上に成長させたＧａＮの＜１１−００＞又は＜１１２−０＞方向に沿ったＳｉＯ_２マスクを使用し、フォトリソグラフィによって２μｍの窓開口部と２μｍのマスク領域７を形成した。２〜３μｍの膜厚のＧａＮは、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって成膜することができる。５×１０^１７〜１０^１９ｃｍ^−３のドーピングレベルでシリコン（Ｓｉ）をドーピングした１〜３μｍの膜厚のｎ−ＧａＮからなるｎ−クラッド／コンタクト層２をエピタキシャル横方向成長によって成膜した。エピタキシャル横方向成長メカニズムによって三角形のｎ−コンタクト層が得られた。この層の上に、０．０５＜ｘ＜０．５のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層と０≦ｙ≦０．０５のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層からなる２．５〜５０ｎｍの膜厚の非ドープ又はドープの単一又は多重の量子井戸からなる活性層３を、エピタキシャル成長させた。約０．５μｍの膜厚の正孔発光層４は、８×１０^１６〜１０^１９ｃｍ^−３の濃度でマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ−ＧａＮからなる。金属オーミックコンタクト５をｐ−ＧａＮ正孔発光層上に成膜した。ｎ型金属コンタクト６をｎ型コンタクト層２上に成膜し、塩素系反応性ガスを使用してドライエッチングによってエッチングした。

＜１１−００＞又は＜１１２−０＞方向に沿った活性層３の長さは変化していないが、図３（符号８は三角形の頂点の角度θを示す）に示すように、＜１１−００＞又は＜１１２−０＞方向と直交する方向の活性層３の長さは１／ｓｉｎ（θ／２）倍に増加している。通常、三角形の頂点の角度は約６０°であり、活性層の面積を２倍に増加させることができる。面積の３０％がｎ型コンタクトに使用されるが、それでも１．４の活性層のフィルファクターを得ることができる。

図４は、基板が単独のｎ−ＧａＮ、４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣ等の導電材料からなること以外は図２と同様なＩＩＩ−Ｖ族窒化物ＬＥＤ構造体を示す。ｎ型金属コンタクト６はｎ型コンタクト層２に直接成膜されている。ｎ型コンタクトによる損失がないため、活性層のフィルファクターは２とすることができる。

図５は、六角形の窓開口部９を有するＳｉＯ_２マスク領域７を示す。六角形の開口部内でＩＩＩ−Ｖ窒化物層をエピタキシャル横方向成長させ、六角形ピラミッド型三次元ＬＥＤ構造体を形成する。ｎ型金属コンタクト６は、絶縁性基板を有するエッチングしたｎ−コンタクト層上に成膜する。ｎ型コンタクトによる損失は３０％であり、１．９を超える活性層のフィルファクターを得ることができる。

図６は、非常に規則正しく密接して形成された六角形の開口部を有し、陽極多孔質アルミナからなるマスクを示す。ＧａＮ系デバイスの場合には、六角形の開口部の対向する角部は（０００１）ＧａＮの＜１１−００＞又は＜１１２−０＞方向に沿って配列される。ＧａＡｓ系デバイスの場合には、六角形の開口部の対向する角部は（００１）ｎ−ＧａＡｓの＜１１０＞方向の１０°以内の範囲に沿って配列され、ＧａＡｓ上に形成されたＡｌＩｎＧａＰ系デバイスの場合も同様である。ＺｎＳｅ系デバイスの場合には、六角形の開口部の対向する角部は（１１１）ｎ−ＧａＡｓの＜１１２＞方向の１５°以内の範囲に沿って配列される。六角形の開口部の寸法は、陽極処理における陽極処理電圧によって正確に制御することができる。このマスクは、実施例３においてエピタキシャル横方向成長及び六角形テクスチャードＬＥＤ構造の形成のために使用することができる。

図７は、ＧａＮ、ＡｌＮ、サファイア、ＳｉＣ又はその他の非窒化物材料上にエピタキシャル横方向成長によって成長させたＧａＮの非常に規則正しく密接して形成された六角形ピラミッド形状を示す。六角形の開口部を有するマスクは、通常のフォトリソグラフィ又は陽極多孔質アルミナを使用して形成することができる。

図８は、絶縁性基板を使用した図２と同様な非常に規則正しく密接して形成された六角形ピラミッド状ＧａＮ ＬＥＤ構造体を示す。

図９は、導電性基板を使用した図４と同様な非常に規則正しく密接して形成された六角形ピラミッド状ＧａＮ ＬＥＤ構造体を示す。

図４と同様な高いフィルファクターを有するテクスチャードＬＥＤ構造体は、０．５≦ｘ≦１であり、５×１０^１７〜１０^１９ｃｍ^−３のドーピングレベルを有する０．３〜１μｍの膜厚のｎ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐと、０．５≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６、０≦ｘ１≦０．４、０≦ｙ１≦０．４の１μｍ未満の膜厚の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＰ／（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１）_１−ｙ１Ｉｎ_ｙ１Ｐからなる多重量子井戸活性層と、０．５≦ｘ≦１であり、５×１０^１６〜５×１０^１８ｃｍ^−３のドーピングレベルを有するｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる正孔発光／コンタクト層とによって形成することができる。パターニング及びエピタキシャル横方向成長に使用する基板はｎ型（００１）ＧａＡｓである。

図４と同様な高いフィルファクターを有するテクスチャードＬＥＤ構造体は、５×１０^１７〜１０^１９ｃｍ^−３のドーピングレベルを有する０．３〜１μｍの膜厚のｎ型ＺｎＳｅ又はＺｎＭｇＳＳｅと、１μｍ未満の膜厚のＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅからなる多重量子井戸活性層と、ｐ型ＺｎＳｅ、ＺｎＭｇＳＳｅ又はＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸からなる正孔発光／コンタクト層とによって形成することができる。パターニング及びエピタキシャル横方向成長に使用する基板はｎ型（１１１）ＧａＡｓ又はｎ型（１００）ＺｎＳｅである。

図１ａ及び図１ｂは、絶縁性基板及び導電性基板上にそれぞれ形成された従来のＬＥＤ構造体の構造を示す概略図である。 図２は、絶縁性基板上に形成された本発明に係るＬＥＤの一例の構造を示す概略図である。 図３は、１を超えるフィルファクターを有する三角形のＬＥＤ構造の断面を示す概略図である。 図４は、導電性基板上に形成された本発明に係るＬＥＤの一例の構造を示す図である。 図５は、ＧａＮテンプレート上に成膜されたＳｉＯ_２マスク内に六角形の窓開口部を有する六角形マスクを示す図である。 図６は、陽極多孔質アルミナマスク内に六角形のナノホール窓開口部を有する六角形ナノホールマスクを示す。 図７は、エピタキシャル横方向成長法を使用してＧａＮテンプレート及びＳｉＯ_２マスク上に成長させた六角形ＧａＮを示す概略図である。 図８は、絶縁性基板上に形成された本発明に係るテクスチャードＬＥＤ構造の実施例に係る六角形ピラミッド型構造を示す図である。 図９は、導電性基板上に形成された本発明に係るテクスチャードＬＥＤ構造の実施例に係る六角形ピラミッド型構造を示す図である。

Claims (9)

1. 高いフィルファクターを有するテクスチャード発光ダイオード構造体であって、
   エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）によってパターニングされた基板上に成膜されたドープＩＩＩ−Ｖ族若しくはドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含む第１のテクスチャードクラッド／コンタクト層と、
   ＩＩＩ−Ｖ族若しくはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含み、電子と正孔の放射再結合又はサブバンド間遷移が発生するテクスチャード非ドープ又はテクスチャードドープ活性層と、
   ドープＩＩＩ−Ｖ族若しくはドープＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含む第２のテクスチャードクラッド／コンタクト層と、
   を含む構造体。
2. 高いフィルファクターを有するテクスチャード発光ダイオード構造体であって、
   エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）によってパターニングされた基板上に成膜されたｎ型ＩＩＩ−Ｖ族若しくはｎ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含むテクスチャードｎ−クラッド／コンタクト層と、
   ＩＩＩ−Ｖ族若しくはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含み、電子と正孔の放射再結合が発生するテクスチャード活性層と、
   ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族若しくはｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金を含むテクスチャード正孔発光層及びｐ型コンタクト層と、
   を含む構造体。
3. 請求項１又は２において、
   導電性又は絶縁性基板と、
   ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＬＰＥ、昇華、スパッタリング又はその他の適当な成膜法によって前記基板上に成膜されたＩＩＩ−Ｖ族若しくはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体又はその合金と、
   フォトリソグラフィ、電子ビーム又は集束イオンビームを使用した直接描写、走査トンネル顕微鏡法、ホログラフィ、ナノインプリント、陽極多孔質アルミナ、ウェットエッチング又はその他のパターニング法又は組み合わせ法を含むマスク法又はマスクレス法によって形成された前記基板上のパターンと、
   を含む構造体。
4. 請求項１において、
   前記テクスチャードクラッド／コンタクト層又は各テクスチャードクラッド／コンタクト層が単層、多層又は超格子である構造体。
5. 請求項２において、
   前記テクスチャード正孔発光層及びｐ型コンタクト層が単層、多層又は超格子である構造体。
6. 前記請求項のいずれか１項において、
   前記テクスチャード活性層が、ドープ又は非ドープダブルヘテロ構造体、単一量子井戸又は多重量子井戸である構造体。
7. 請求項２において、
   前記テクスチャードｎ−クラッド／コンタクト層が単層、多層又は超格子である構造体。
8. 前記請求項のいずれか１項において、
   前記基板が導電性であり、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ又はその他の金属酸化物材料を含む構造体。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、
   前記基板が絶縁性であり、サファイア、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＺｎＯ又はその他の金属酸化物材料を含む構造体。

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