JPH0786635A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い発光効率を備えた発光ダイオードを提供
する。 【構成】 発光ダイオード１０において、光取出面２８
に形成された多数の凸部３０が逆メサ構造を有している
ことから、発光層１８から光が放射されると、図５の１
点鎖線に示すように、従来では全反射されていた光が凸
部３０の逆テーパ状の側面から光が外部へ取り出され
る。このため、発光層１８から基板１２と反対側へ向か
う光のうちの全反射される割合が少なくなって、上部電
極２６により吸収される量が少なくなる。したがって、
その光取出面２８から外部へ取り出される光量が多くな
るので、発光ダイオード１０の発光効率が高められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオードに関
し、特に発光効率を高める技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】発光ダイオードでは、通
常、基板の上に形成された発光層から発生する光が外部
へ取り出されて利用されている。しかし、発光層から発
生する光が必ずしも充分に利用されている訳ではなく、
高い発光効率が望まれている。比較的外部へ取り出し易
い発光層から基板と反対側へ向かう光でも、その一部が
全反射を繰り返すうちに表面電極によって吸収される一
方、発光層から基板側へ向かう光は、発光ダイオード内
に閉じ込められ易く、基板や下部電極に吸収されたりし
て有効に利用され難い。このため、従来では、発光層か
ら発生する光のうちの１／１０程度しか利用されていな
いのが実情である。

【０００３】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであり、その目的とするところは、高い発光効率を
備えた発光ダイオードを提供することにある。

【０００４】本発明者等は、上記の目的を達成するため
に種々研究を重ねた結果、発光層から発生した光を外部
へ取り出す光取出面に、メサ構造の多数の凹凸、或いは
多数の球状凹面を形成すると、発光層から基板と反対側
へ向かう光を効率よく取り出すことができる事実を見出
した。また、基板の側面に凹溝を形成し、発光層から基
板側へ向かう光をその凹溝の内壁面によって側方へ反射
させると、発光ダイオードの発光効率を好適に高めるこ
とができる事実を見出した。本発明は、斯かる知見に基
づいて為されたものである。

【０００５】

【課題を解決するための第１の手段】すなわち、前記目
的を達成するための第１発明の要旨とするところは、光
を発生する発光層を有し、その発光層から発生した光を
光取出面を通して外部へ放射させる形式の発光ダイオー
ドにおいて、逆メサ構造を有する多数の凸部を、上記光
取出面に形成したことにある。

【０００６】

【作用および第１発明の効果】このようにすれば、光取
出面に形成された多数の凸部は逆メサ構造を有している
ので、発光層から基板と反対側へ向かう光のうちの全反
射される割合が少なくなって、上部電極により吸収され
る量が少なくなる。したがって、その光取出面から外部
へ取り出される光量が多くなるので、発光ダイオードの
発光効率が高められる。

【０００７】

【課題を解決するための第２の手段】また、前記目的を
達成するための第２発明の要旨とするところは、光を発
生する発光層を有し、その発光層から発生した光を光取
出面を通して外部へ放射させる形式の発光ダイオードに
おいて、多数の球状凹面を上記光取出面に形成したこと
にある。

【０００８】

【作用および第２発明の効果】このようにすれば、光取
出面には多数の球状凹面が形成されているので、発光層
から基板と反対側へ向かう光のうちの全反射される割合
が少なくなって、上部電極により吸収される量が少なく
なる。したがって、その光取出面から外部へ取り出され
る光が多くなるので、発光ダイオードの発光効率が高め
られる。

【０００９】

【課題を解決するための第３の手段】また、前記目的を
達成するための第３発明の要旨とするところは、基板
と、その基板の上面に積層された発光層を含む複数の半
導体層とを有する発光ダイオードにおいて、上記基板の
側面にその基板の前記半導体層との境界部分を除去した
凹溝を設け、その凹溝の内壁面により前記発光層から前
記基板側へ向かう光を側方へ反射するための反射面を形
成したことにある。

【００１０】

【作用および第３発明の効果】このようにすれば、基板
の側面にはその基板の前記半導体層との境界部分を除去
した凹溝が設けられ、その凹溝の内壁面により前記発光
層から前記基板側へ向かう光を側方へ反射するための反
射面が形成されているので、発光層から基板側へ向かう
光のうちの一部は、その反射面により反射されて基板の
側方へ向かう。このような光はステムなどにより反射さ
れて発光ダイオードの輝度に寄与するので、発光ダイオ
ードの発光効率が好適に高められる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施例の発光ダイオード
１０の構成を示している。図において、発光ダイオード
１０は、エピタキシャル構造のＬＥＤであって、ｎ−Ｇ
ａＡｓ（ｎ型ガリウム−砒素化合物半導体）単結晶から
成る３５０μｍ程度の厚みの基板１２、この基板１２の
上に結晶成長により順次積層された、多数対のｎ−Ａｌ
_0.2 ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラッグ反射層１４、ｎ−Ａｌ
_0.45ＧａＡｓから成る２μｍ程度の厚みのクラッド層１
６、ｐ−ＧａＡｓから成る０．１μｍ程度の厚みの発光
層１８、ｐ−Ａｌ_0.45ＧａＡｓから成る１２μｍ程度の
厚みのクラッド層２０、およびｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａ
ｓから成る１．５μｍ程度の厚みの光取出層２２を備え
ている。そして、基板１２の底面および光取出層２２の
上面には、電流を供給するための下部電極２４および上
部電極２６が設けられている。

【００１３】上記の発光ダイオード１０において、上部
電極２６から下部電極２４へ駆動電流が流されると、上
記発光層１８から光が放射され、基板１２と反対側へ向
かう光は、発光層１８と平行な光取出層２２の上面すな
わち光取出面２８から外部へ取り出されるようになって
いる。この光取出面２８には、図２、図３、および図４
に示すように多数の凸部３０が形成されている。この凸
部３０は２乃至４μｍ程度の間隔で設けられている。

【００１４】上記凸部３０は、平面形状が図２に示すよ
うに矩形であって、斜線で示す矩形の凹穴３２を隔てて
等間隔で規則正しく配列されている。図３は、逆メサ方
向の凸部３０の断面形状を示し、図４は、順メサ方向の
凸部３０の断面形状を示している。逆メサ方向とは、Ｇ
ａＡｓ単結晶の〔１ １ ０〕方向であって、エッチン
グ処理が行われると、その方向に垂直な断面が逆メサ
（逆台形）形状となる。また、順メサ方向とは、ＧａＡ
ｓ単結晶の数式１に示す方向であって、エッチング処理
が行われると、その方向に垂直な断面がメサ（台形）形
状となる。

【００１５】

【数１】

【００１６】上記発光ダイオード１０の光取出面２８に
設けられた凸部３０は、以下のようにして形成される。
先ず、電極２４および２６が形成されたウエハを用意し
て光取出面２８を脱脂洗浄したあと、通常のフォトリソ
グラフィ技術により図２に示すような格子状のマスクを
用いてパターニングを行う。次にリン酸系のエッチャン
トを用いてエッチングすることにより、凹穴３２を形成
する。そしてレジストを除去すると前記凸部３０が形成
されているのである。

【００１７】以上のように構成された発光ダイオード１
０において、光取出面２８に形成された多数の凸部３０
が逆メサ構造を有していることから、発光層１８から光
が放射されると、図５の１点鎖線に示すように、従来で
は全反射されていた光が凸部３０の逆テーパ状の側面か
ら光が外部へ取り出される。このため、発光層１８から
基板１２と反対側へ向かう光のうちの全反射される割合
が少なくなって、上部電極２６により吸収される量が少
なくなる。したがって、その光取出面２８から外部へ取
り出される光量が多くなるので、発光ダイオード１０の
発光効率が高められる。

【００１８】図６および図７は本発明の他の実施例の光
取出面２８を示している。本実施例の光取出面２８に
は、多数の球状凹面３４が５μｍ程度の間隔で配列さ
れ、それら球状凹面３４の間には頂面が平坦な菱形突起
３６が形成されている。ＧａＡｓ単結晶の〔１ １
０〕方向である逆メサ方向が図６に示すように斜め方向
であるとすると、上記菱形突起３６の逆メサ方向に並行
な縁部３８にも逆テーパが形成されている。

【００１９】本実施例においても、前述の実施例と同様
のエッチング処理が施されることにより多数の球状凹面
３４および菱形突起３６が形成されるが、図８に示すレ
ジストマスク４０が用いられる。すなわち、レジストマ
スク４０には２μｍ程度の***４２が５μｍ程度の間隔
で配列されており、そのレジストマスク４０が図９に示
すように形成された状態でエッチングが施されるのであ
る。

【００２０】以上のように構成された発光ダイオード１
０において、光取出面２８には多数の球状凹面３４が形
成されていることから、発光層１８から光が放射される
と、図１０に示すように、発光層１８のいかなる発光点
から発射された光でも各球状凹面を通して外部へ取り出
される。このため、発光層１８から基板１２と反対側へ
向かう光のうちの全反射される割合が少なくなって、上
部電極２６により吸収される量が少なくなる。したがっ
て、その光取出面２８から外部へ取り出される光量が多
くなるので、発光ダイオード１０の発光効率が高められ
る。

【００２１】また、本実施例では、菱形突起３６はその
逆メサ方向に並行な断面において逆メサ構造を有してお
り、縁部３８が逆テーパとなっているので、前述の図５
に示すように、従来では全反射されていた光が外部へ取
り出されるので、一層発光ダイオード１０の発光効率が
高められる。

【００２２】図１１は、上記レジストマスク４０とは異
なる他のレジストマスク４４を示している。本実施例で
は、***４２が千鳥状に互い違いに配列されているの
で、光取出面２８においても球状凹面３４が互い違いに
形成されるとともに、それら球状凹面３４の間には３角
状の突起が前記菱形突起３６に替えて形成される。

【００２３】図１２は、他の実施例の発光ダイオード５
０の構成を示している。図において、発光ダイオード５
０は、エピタキシャル構造のＬＥＤであって、ｎ−Ｇａ
Ａｓ単結晶から成る２５０μｍ程度の厚みの透明な基板
５２、この基板５２の上に結晶成長により順次積層され
た、ｎ−Ａｌ_x ＧａＡｓ（ｘ＝０．１〜０．４５）から
成る０．３μｍ程度の厚みのバッファ層５４、ｎ−Ａｌ
_0.45ＧａＡｓから成る２μｍ程度の厚みのクラッド層５
６、ｐ−ＧａＡｓから成る０．１μｍ程度の厚みの発光
層５８、ｐ−Ａｌ_0.45ＧａＡｓから成る１２μｍ程度の
厚みのクラッド層６０、およびｐ−ＧａＡｓから成る
０．１μｍ程度の厚みのキャップ層６２を備えている。
そして、上記基板５２の底面およびキャップ層６２の上
面には、電流を供給するための下部電極６４および上部
電極６６が設けられている。

【００２４】上記基板５２の側面には、その基板５２の
バッファ層５４との境界部分を除去した凹溝７０が設け
られ、その凹溝７０の内壁面７２により発光層５８から
基板５２側へ向かう光を側方へ反射するための反射面が
形成されている。この凹溝７０は、以下に説明するエッ
チング工程によって形成される。

【００２５】先ず、電極２４および２６を形成した後の
ウエハを粘着テープに貼り付け、ダイシングマシンによ
ってチップを分割すると、粘着テープ上に略等間隔で配
列する。図１３はそのチップの状態を示している。一
方、ＮＨ₄ ＯＨおよびＨ₂ Ｏ₂を用いたエッチャントに
粘着テープ上に略等間隔で配列されたチップをその選択
エッチャントに浸漬させることによりエッチングを施す
と、Ａｌの混晶比が小さい基板５２およびキャップ層６
２の一部が除去されて図１２に示すような発光ダイオー
ドチップが形成されるのである。ここで、基板５２の側
面のうちのバッファ層５４に隣接する部分が深くエッチ
ングされる理由は明確ではないが、エッチャントの流速
の分布や、基板５２の格子欠陥の偏在などが考えられ
る。

【００２６】以上のように構成された発光ダイオード５
０において、基板５２の側面にはその基板５２のバッフ
ァ層５４との境界部分を除去した凹溝７０が設けられ、
その凹溝７０の内壁面７２により発光層５８から基板５
２側へ向かう光を側方へ反射するための反射面が形成さ
れているので、発光層５８から基板５２側へ向かう光の
うちの一部は、その反射面により反射されて基板５２の
側方へ向かう。このような光はステムなどにより反射さ
れて発光ダイオード５０の輝度に寄与するので、発光ダ
イオード５０の発光効率が好適に高められる。

【００２７】また、本実施例によれば、基板５２の側面
は、凹溝７０内を含めて、エッチング処理によってすり
ガラス状の細かな凹凸が形成されているので、従来は全
反射されていた基板５２内の光が外部へ取り出される利
点がある。

【００２８】図１４のＡ線は、上記凹溝７０を形成する
ためのエッチング時間とそのエッチング時間により形成
された深さの凹溝７０を備えた発光ダイオード５０の光
出力比（凹溝７０がない場合の光出力を１としたときの
比）との関係を示している。このことから明らかなよう
に、凹溝７０が深くなる程、発光層５８から基板５２側
へ向かう光のうち上記凹溝７０の内壁面７２により反射
されて側方へ向かう光量が多くなって発光効率が高めら
れる。また、凹溝７０が深くなる程、基板５２内での吸
収が少なくなることも寄与していると考えられる。図１
４のＢ線は、コバール製のステムに固着した状態で前記
エッチングを施すことにより凹溝７０を形成した場合を
示している。

【００２９】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。

【００３０】たとえば、前述の実施例において、図１２
の発光ダイオード５０の光取出面６８には、図３に示す
逆メサ構造の多数の凸部３０、図７に示す多数の球状凹
面３４が形成されてもよい。このようにすれば、発光層
５８から基板５２と反対側へ向かう光のうちの外部へ取
り出される光量が増加して発光効率が一層高められる。

【００３１】また、前述の図１の実施例において、１．
５μｍの光取出層２２はＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓである必
要はなく、ＧａＡｓは吸収があるので用いられないもの
の、ＡｌＧａＡｓであればよい。

【００３２】また、光取出層２２は必ずしも必要ではな
く、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓクラッド層２０の表面に多数
の凸部３０や球状凹面３４を直接形成してもよい。この
場合、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55ＡｓよりもＡｌの混晶比の小さ
い層を用いるほうが選択エッチングが行えるため、簡単
となる。

【００３３】また、前述の図２の実施例において、逆メ
サ構造の凸部３０は平面視で矩形であったが、多角形状
や丸形状であっても差支えない。

【００３４】また、前述の図６の実施例では、球状凹面
３４が平面視で円形に形成されていたが、多角形状であ
っても差支えない。

【００３５】なお、上述したのはあくまでも本発明の一
実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲にお
いて種々変更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の発光ダイオードの構成を説
明する図である。

【図２】図１の実施例の光取出面を拡大して示す平面図
である。

【図３】図１の実施例の光取出面において、逆メサ方向
の断面形状を示す図である。

【図４】図１の実施例の光取出面において、順メサ方向
の断面形状を示す図である。

【図５】図１の実施例の逆メサ構造の凸部における光取
り出し作用を説明する図である。

【図６】本発明の他の実施例における図２に相当する図
である。

【図７】図６の実施例における図３に相当する図であ
る。

【図８】図６の実施例において球状凹面の形成に用いら
れるエッチングマスクを説明する図である。

【図９】図６の実施例においてエッチングマスクが光取
出層上に形成された状態を示す図である。

【図１０】図６の実施例における球状凹面の光取り出し
作用を説明する図である。

【図１１】本発明の他の実施例のエッチングマスクを示
す図８に相当する図である。

【図１２】本発明の他の実施例における図１に相当する
図である。

【図１３】図１２の実施例の発光ダイオードの凹溝を形
成する前のチップ形状を示す図である。

【図１４】図１２の実施例における凹溝のエッチング時
間と光出力比との関係を示す図である。

【符号の説明】

１０，５０：発光ダイオード １２，５２：基板 ２８，６８：光取出面 ３０：逆メサ構造の凸部 ３４：球状凹面 ７０：凹溝 ７２：内壁面（反射面）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今泉 充 愛知県一宮市中町二丁目９番38−302号 (72)発明者 水野 義之 愛知県名古屋市名東区高社二丁目194番地 (72)発明者 曽根 豪紀 愛知県東海市加木屋町南鹿持18 大同特殊 鋼知多寮

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を発生する発光層を有し、該発光層か
   ら発生した光を光取出面を通して外部へ放射させる形式
   の発光ダイオードにおいて、 逆メサ構造を有する多数の凸部を、該光取出面に形成し
   たことを特徴とする発光ダイオード。
2. 【請求項２】 光を発生する発光層を有し、該発光層か
   ら発生した光を光取出面を通して外部へ放射させる形式
   の発光ダイオードにおいて、 多数の球状凹面を、該光取出面に形成したことを特徴と
   する発光ダイオード。
3. 【請求項３】 基板と、該基板の上面に積層された発光
   層を含む複数の半導体層とを有する発光ダイオードにお
   いて、 前記基板の側面に該基板の前記半導体層との境界部分を
   除去した凹溝を設け、該凹溝の内壁面により前記発光層
   から前記基板側へ向かう光を側方へ反射するための反射
   面を形成したことを特徴とする発光ダイオード。