JP5052973B2 - 窒化物半導体発光素子アレイ - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子アレイに関するものであって、特に選択成長法を用いた複数の六角ピラミッド型発光構造を有する発光素子アレイに関する。

最近、フィラメントを用いたバルブ型電球と蛍光灯を代替する新たな照明源として半導体発光素子に対する研究が活発に進んでいる。特に、ＧａＮのような窒化物化合物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）に係わる研究が注目されている。窒化物結晶は、成長のための適切な基板が無いため、多くの結晶欠陥を有する問題がある。

このような問題を解決して選択的な成長方法を用いて六角ピラミッド型の発光構造を形成することにより、高品質窒化物発光素子を提供する方案が開発された。

図１は、従来の六角ピラミッド型発光素子の断面図である。

図１に図示された通り、サファイア基板１１上に形成された第１導電型下部窒化物半導体層１２ａ上に窓Ｗを有する誘電体層１４を形成する。上記誘電体層１４を用いた側方向成長工程を適用して窓領域Ｗに第１導電型上部窒化物半導体層１２ｂと活性層１５及び第２導電型窒化物半導体層１６を成長させる。この際、窓領域Ｗに成長される窒化物半導体層１２ｂ、１５、１６は六角ピラミッド型の発光構造に形成される。上記六角ピラミッド型発光構造の第２導電型窒化物半導体層１６上に透明伝導薄膜１７及び／または電極１９を形成し、上記誘電体層の一部を第１導電型下部窒化物半導体層１２ａが露出されるようにエッチングして他の極性の電極１８を形成する。

選択的成長方法によって得られた窒化物単結晶を側方向に成長させる過程において、水平方向に成長された多くの欠陥が遮断されたり方向を変えられたりして活性層に殆ど影響しないと報告されている。また、基板との格子定数不一致による影響も小さいため、結晶成長の欠陥を大きく減らすことができる。

このようなＬＥＤ構造は、六角形ピラミッド構造を有するため、傾斜側面によって実質的な発光面積が広くなると同時に、結晶成長方向によって圧電効果（ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ）の緩和も期待できる。

また、より優れた輝度のために、図１に図示された六角ピラミッド型発光構造が複数個配列されたアレイ形態で提供されている。ところが、六角ピラミッド型発光素子は、窓領域は最適の面積活用度を得るために三角形で配列されるが、図２に図示された通り、窓Ｗが正三角形で配列された構造において六角ピラミッド型発光構造２０が最大面積を占有するように成長しても、結晶層が成長され難く、実質的に発光面積として活用できない消耗領域Ａが相対的に多く存在する。

従って、発光面積を最大化するため空間の消費を抑制できる六角形ピラミッド発光構造の適切な配列方案を考える必要がある。

本発明は、上記の従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的は、六角ピラミッド型発光構造と窓領域の配列構造を改善して複数の六角ピラミッド型発光構造による発光面積が最大化できる窒化物半導体発光素子アレイを提供することにある。

上記の技術的課題を達成すべく、本発明は、第１導電型下部窒化物半導体層上に形成され、複数の窓が配列された誘電体層と、上記各窓によって露出された上記第１導電型下部窒化物半導体層領域から選択的に成長され上記誘電体層上に形成され、第１導電型上部窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層が順次に積層されて成る複数の六角ピラミッド型発光構造物を含み、上記複数の窓は隣接した窓で成長される六角ピラミッド型発光構造物の側面が相互対向するように繰り返される正三角形の配列を有し、また、相互隣接した六角ピラミッド型発光構造物の各底辺間の距離はその窓の中心間隔の０．３倍より小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子アレイを提供する。

好ましくは、上記六角ピラミッド型発光構造物の側面は［１１−２０］方向である。上記誘電体層の全体成長面積に対する上記複数の六角ピラミッド型発光構造物が形成された面積は上記六角ピラミッド型発光構造物側面の傾斜角のコサイン値より大きいことが好ましく、他の側面で上記複数の六角ピラミッド型発光構造物の側面積の和は上記誘電体層の全体成長面積より大きいことが好ましい。

ここで、本明細書に表記されたミラー指数では、数字上のバー（ｂａr）表記に代えて数字の前に「−」を使用したことに注意されたい。例えば、［１１−２０］において、「−２」は「２」の上にバーがあるものと同じであると理解すべきである。

最適化した配列条件で実質的に最大の発光面積が確保されるように、上記複数の六角ピラミッド型発光構造物は隣接した全ての六角ピラミッド型発光構造物の底辺と相接するように形成することができる。

本発明は電極配列側面で水平構造だけでなく、垂直構造発光素子でも具現することができる。

本発明の一実施形態による水平構造発光素子は、上記第１導電型下部窒化物半導体層が形成された上面を有する基板と、上記第１導電型下部窒化物半導体層 上面の一領域に形成された第１電極と、上記第２導電型窒化物半導体層上に形成された光透過性導電層と、上記光透過性導電層の一領域に形成された第２電極をさらに含む。ここで、基板はサファイア基板、ＳｉＣまたはＳｉであることができる。

本発明の他の実施形態による垂直構造発光素子は、上記第１導電型下部窒化物半導体層が形成された光透過性導電層と、上記光透過性導電層の一領域に形成された第１電極と、上記第２導電型窒化物半導体層上に形成された反射電極層と、上記反射電極層上に形成され第２電極構造として作用する導電性支持構造をさらに含む。特に、本垂直構造発光素子は六角ピラミッド発光構造上面に反射層が形成され光が集中して第１導電型下部窒化物半導体層側から抽出されるため、その光抽出効率を大きく改善させるという長所がある。

本発明の他の側面で、第１導電型下部窒化物半導体層上に形成され、複数の窓が四角形の配列として一定間隔を有する行と列に沿って配置された誘電体層と、上記各窓によって露出された上記第１導電型下部窒化物半導体層領域から選択的に成長され上記誘電体層上に形成され、第１導電型上部窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層が順次に積層されて成る複数の六角ピラミッド型発光構造物を含み、上記複数の六角ピラミッド型発光構造物は上記行と列のうち一方向に沿って隣接した発光構造物の底辺が相互対向すると同時に、上記行と列のうち他の方向に沿っては隣接した発光構造物の各部分が相互対向するように配列されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子アレイを提供する。

本発明によると、選択成長法によって結晶欠陥が非常に少ない六角ピラミッド型発光構造の面積占有率が高くなるように配列することにより、実質的な発光面積を広くし、さらにこれを垂直構造の発光素子構造に反映することにより、高い光抽出効率を有する窒化物発光素子アレイを提供することができる。

以下、添付の図面を参照に本発明の実施形態をより詳しく説明する。

図３は、本発明の一実施形態による六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイの概略的な平面図である。

図３を参照すると、複数の窓領域Ｗが配列された誘電体層３４上に六角ピラミッド型窒化物発光構造３０が成長された発光素子アレイが図示されている。上記六角ピラミッド型窒化物発光構造３０は、図１に説明された通り、窓領域Ｗに選択的に成長された第１導電型上部窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層として理解できる。

本発明による六角ピラミッド型窒化物発光構造３０の最適化した配列を得るため、先ず複数個の窓Ｗは正三角形配列単位が規則的に繰り返されるように形成される。特に、本発明による窓Ｗの配列は、隣接する六角ピラミッド型発光構造物３０の側面３０ａが対向するように設定される。隣接した六角ピラミッド型の発光構造物３０が相互の側面３０ａに対向できる窓Ｗの配列は、結晶方向を考慮して窓Ｗの正三角形の位置を適切に調整することによって得ることができる。例えば、上記六角ピラミッド型発光構造物３０の側面３０ａは［１１−２０］方向で、側面角は［１−１００］方向を有するように窓Ｗの配列を適切に採択することができる。即ち、一つの窓との配列関係において隣接した窓を［１１−２０］結晶成長方向と予測される位置に配置する。このような結晶成長方向は成長される結晶面から予測することができる。

このように、隣接した六角ピラミッド型発光構造物３０が側面３０ａに対向する場合には、面積の最大化が実現できる。また、このような窓Ｗの配列で発光面積を増加させるためには、六角ピラミッド型発光構造物３０の占有面積を最大化させることが好ましい。少なくとも隣接した六角ピラミッド型発光構造物３０の各底辺間の距離ｘは、その窓の中心間隔ａの０．３倍より小さいように、六角ピラミッド型発光構造物３０を十分大きく形成することにより、本発明の窓配列構造に基づいて発光面積の増加を効果的に実現することができる。

このように、上記複数の六角ピラミッド型発光構造物３０の占有面積は、少なくとも上記誘電体層３４の全体面積よりも大きい実質的な発光面積、即ち発光構造側面３０ａの総面積を有するように設計することができる。このような条件は六角ピラミッド型発光構造物側面３０ａの傾斜角のコサイン値を基に下記のような側面活用度から導くことができる。

図４を参照すると、圧電効果を最適化できる六角ピラミッド型発光構造物３０ａの側面角度は約６２°で隣接した窓の中心間隔ａと隣接した発光構造の側面との間の距離ｘの割合による側面の活用度を示す。ここで、「側面の活用比」とは全体六角ピラミッド型発光構造物の側面積の合計を全体基板面積に対比して示した値であって、１の場合には、側面積の合計が基板面積と同一になると示し、１より大きくなる場合には、実質的に発光面積が基板面積より大きくなることを示す。

図４のグラフにおいて、窓中心間隔に対して側面間隔が０．３で実質的な発光面積（即ち、発光構造側面の合計）が基板面積とほぼ同一になり、０．３より小さきなる時に実質的な発光面積が基板面積より大きくなることが分かる。従って、先に説明した通り、発光構造物の側面が相互対向する正三角形の窓配列を有しても、実質的な発光面積の増加のためには、窓中心間隔に対して側面間隔が０．３倍未満に発光構造物を成長させることが求められる。このような 特徴は他の側面で複数の六角ピラミッド型発光構造物の側面積の和は上記誘電体層の全体成長面積より大きい条件で表現することができる。

従って、図５に図示された発光素子アレイを実現することにより、最適化した窓Ｗの配列条件で実質的に最大の発光面積を確保することができる。上記複数の六角ピラミッド型発光構造物５０は隣接した全ての六角ピラミッド型発光構造物５０の側面５０ａが相互対向すると同時に、さらに相互接することができるように十分大きく成長されることにより、基板面積に比べて２倍以上の発光面積を確保することができる。

これとは異なって、図６に図示された窓配列構造を通じても高い側面活用比を有する発光構造配列が得られる。

図６に図示された通り、誘電体層に一定間隔を有する行（ｘ）と列（ｙ）に沿って複数の窓領域Ｗを形成する。また、上記複数の六角ピラミッド型発光構造物５０は上記行（ｘ）と列（ｙ）のうち一方向（ｙ）に沿っては隣接した発光構造物の側面５０ａが相互対向すると同時に、上記行と列のうち他の方向（ｘ）に沿っては隣接した発光構造物の側面角５０ｂ部分が相互対向するように配列させる。このように対向する位置を側面５０ａ及び角５０ｂのうち一つで選択することは、先に説明した通り、成長される窒化物半導体層の結晶方向に基づいて窓領域Ｗを配列することによって得られる。

このような条件で、本実施例のようにｘ軸に対向する側面及び角の底辺が相接するように十分成長させることにより、面積効率を最大化させることができる。この場合に、側面の傾斜角が６２°とした場合、基板面積に比べて約１.６０倍大きい発光面積を六角ピラミッドの側面から得ることができる。

本発明によって発光面積を最大化できる方案は水平構造だけでなく、垂直構造発光素子でも非常に有益に適用することができる。

図７ａ及び図７ｂは、本発明による六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイの断面図である。

図７ａを参照すると、本発明の一実施形態による水平構造発光素子７０は、上記第１導電型下部窒化物半導体層７２ａが形成された上面を有する基板７１を含む。ここで、基板７１はサファイア基板、ＳｉＣまたはＳｉであってもよい。

上記第１導電型下部窒化物半導体層７２ａ上には、複数の窓が配列された誘電体層７４が形成される。上記各窓によって露出された上記第１導電型下部窒化物半導体層７２ａ領域に第１導電型上部窒化物半導体層７２ｂ、活性層７５及び第２導電型窒化物半導体層７６が順次に成長され複数の六角ピラミッド型発光構造物を提供する。上記複数の窓及び上記六角ピラミッド型発光構造物の配列は有効な発光面積が最大化されるように図３、図５及び図６に図示された配列を有することができる。

図７ａに図示された通り、上記第１導電型下部窒化物半導体層７２ａの上面の一領域に第１電極７８が形成される。上記第２導電型窒化物半導体層７６上に光透過性導電層７７が形成され、上記光透過性導電層７７の一領域に第２電極７９が形成される。

これとは異なって、図７ｂを参照すると、本発明の他の実施形態による垂直構造発光素子が図示されている。

図７ｂに図示されているように、上記第１導電型下部窒化物半導体層８２ａ上には、複数の窓が配列された誘電体層８４が形成される。上記各窓によって露出された上記第１導電型下部窒化物半導体層８２ａ領域に第１導電型上部窒化物半導体層８２ｂ、活性層８５及び第２導電型窒化物半導体層８６が順次に成長され複数の六角ピラミッド型発光構造物が提供される。

図７ｂに図示された垂直構造発光素子アレイは、第２導電型窒化物半導体層８６上に形成された反射電極層８７はＡｇのような金属であってもよい。また、上記の窒化物単結晶発光素子の成長に使用されたサファイア基板のような成長用基板を除去する際に残留する発光素子を支持すると同時に、電気導通構造を提供するため、反射電極層８７上に金属メッキ法を用いて導電性支持構造８９を形成することができる。このような導電性支持構造８９は主にＮｉ、Ｃｕなどを用いてメッキを行うと、ピラミッド型の発光素子の間の屈曲を埋めて平らな面を有することができる。このような導電性支持構造８９はパッケージング工程で下部電極として用いることができる。

次に、サファイアのような成長基板をレーザーリフトオフ工程または化学的エッチング工程などによって分離する。さらに、物理化学的に損傷されたバッファ層などを除去することができる。サファイア基板が除去された面は電流が等しく注入されるべきであるため、光透過性伝導層８８を蒸着することが好ましい。

図７ｂに図示された垂直構造発光素子は、六角ピラミッド発光構造の上面に反射層が形成され光が集中して第１導電型下部窒化物半導体層側から抽出されるため、その光抽出効率を大きく改善できるという長所があるので、発光面積の増加による光効率改善効果をさらに向上させることができる。

このように、本発明は上述の実施形態及び添付の図面によって限られず、請求範囲により限定される。請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更ができるということは、当技術分野において通常の知識を有している者には自明である。

従来の六角ピラミッド型窒化物発光素子の断面図である。 従来の六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイを説明するための概略図である。 本発明の一実施形態による六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイの概略的な平面図である。 構造間隔による条件に対する側面活用比の関係を示したグラフである。 本発明の好ましい実施形態による六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイの概略図である。 本発明の他の実施形態による六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイの概略図である。 本発明の一実施形態による六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイの断面図である。 本発明の他の実施形態による六角ピラミッド型窒化物発光素子アレイの断面図である。

符号の説明

３０、５０ 六角ピラミッド型窒化物発光構造
３０ａ、５０ａ 側面
３４、７４、８４ 誘電体層
５０ｂ 角
７０、８０ 窒化物発光素子アレイ
７１ 基板
７２ａ、８２ａ 第１導電型下部窒化物半導体層
７２ｂ、８２ｂ 第１導電型上部窒化物半導体層
７５、８５ 活性層
７６、８６ 第２導電型窒化物半導体層
７７ 光透過性導電層（透明電極層）
７８ 第１電極
７９ 第２電極
８２ａ 第１導電型下部窒化物半導体層
８４ 誘電体層
８２ｂ 第１導電型上部窒化物半導体層
８５ 活性層
８６ 第２導電型窒化物半導体層
８７ 反射電極層
８８ 光透過性伝導層（光透過性導電層）
８９ 導電性支持構造
Ｗ 窓
ｘ 底辺間の距離

Claims (6)

1. 第１導電型下部窒化物半導体層上に形成され、複数の窓が配列された誘電体層と、
   前記各窓によって露出された前記第１導電型下部窒化物半導体層領域から選択的に成長され前記誘電体層上に形成され、第１導電型上部窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層が順次に積層されて成る複数の六角ピラミッド型発光構造物と
   を含み、
   前記複数の窓は隣接した窓で成長される六角ピラミッド型発光構造物の側面が相互対向するように繰り返される正三角形の配列を有し、
   相互隣接した六角ピラミッド型発光構造物の各底辺間の距離はその窓の中心間隔の０．３倍より小さく、
   前記第２導電型窒化物半導体層上に形成された反射電極層と、前記六角ピラミッド型発光構造物の間の屈曲を埋めて平らな上面を有するように前記反射電極層上に形成され、一側の電極として作用する導電性支持構造とをさらに含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子アレイ。
2. 前記六角ピラミッド型発光構造物の側面は、［１１−２０］方向であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子アレイ。
3. 前記複数の六角ピラミッド型発光構造物の側面積の和は、前記誘電体層の全体成長面積より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子アレイ。
4. 前記複数の六角ピラミッド型発光構造物は、隣接した全ての六角ピラミッド型発光構造物の底辺と相接するように形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子アレイ。
5. 前記第１導電型下部窒化物半導体層が形成された光透過性導電層と、前記光透過性導電層の一領域に形成された他側の電極とをさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子アレイ。
6. 第１導電型下部窒化物半導体層上に形成され、複数の窓が四角形の配列として一定間隔を有する行と列に沿って配置された誘電体層と、
   前記各窓によって露出された前記第１導電型下部窒化物半導体層領域から選択的に成長され前記誘電体層上に形成され、第１導電型上部窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層が順次に積層されて成る複数の六角ピラミッド型発光構造物と
   を含み、
   前記複数の六角ピラミッド型発光構造物は、前記行と列のうち一方向に沿って隣接した発光構造物の底辺が相互対向すると同時に、前記行と列のうち他の方向に沿っては隣接した発光構造物の底面の頂点が相互対向するように配列され、
   前記第２導電型窒化物半導体層上に形成された反射電極層と、前記六角ピラミッド型発光構造物の間の屈曲を埋めて平らな上面を有するように前記反射電極層上に形成され、一側の電極として作用する導電性支持構造とをさらに含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子アレイ。

Images