JP4804444B2

JP4804444B2 - 発光ダイオードの構造及びその製造方法

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Publication number: JP4804444B2
Application number: JP2007284034A
Authority: JP
Inventors: 宏誠林; 家銘李; 振瀛 ▲き▼
Original assignee: 泰谷光電科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: JP2009111269A

Description

本発明は、発光ダイオードの構造及びその製造方法に係り、特に、切削線領域の表面に複数の凹部と凸部を形成した発光ダイオードの構造及びその製造方法に関する。

ソリッド照明を実現するため、発光効率を向上した発光ダイオードの開発が急がれている。発光ダイオードの発光効率改善の方法は二つの部分に分けられる。その一つは発光ダイオードの内部量子効率を向上することで、もう一つは発光ダイオードの光ピックアップ効率（光取出し率）を増すことである。

外部量子効率方面では、一般に半導体材料とパッケージ材料の屈折率の違いが大きいために、全反射角が小さくなり、ゆえに発光ダイオードの発生する光が空気との界面に到達した時、臨界角より大きい光は全反射されて発光ダイオードダイの内部に戻る。光子の境界面にて半導体を離れる確率は小さくなり、光子はただ内部で全部が吸収されて熱に転成するまで全反射され続けるだけであり、このため、発光効率が悪くなる。

このため基板の幾何形状を変化させることが光取出し効率を高めて発光効率をアップする有効な方法の一つである。特許文献１によると、周囲に凹凸幾何形状を具備する半導体発光素子が記載され、発光ダイオード素子の周囲が平坦な形状の場合と較べて、横方向伝播の光はこれら凹部或いは凸部の影響を受けて、散乱或いは回折効果を発生し、大幅に外部量子効率がアップする。

米国特許第７，０７５，１１５号明細書

但し、この技術の、基板に対して凹部或いは凸部を具備する幾何形状を形成する方法は、先ず鈍化層構造を基板の上方に形成し、更にリソグラフィー方式を利用し、凹部或いは凸部の幾何形状の外形のパターンを画定し、更にドライエッチング或いはウェットエッチングの方式で基板に対して凹部或いは凸部構造を形成する。このような製造過程は煩瑣であり、製造コストが増し、発光ダイオードの商業応用に符合しない。

本発明は一種の発光ダイオードの構造及びその製造方法を提供することを目的とし、それは切削線領域の表面に化学反応層を形成し、該化学反応層をエッチングマスクとし、ウェットエッチング或いはドライエッチングにより、凹凸表面を具えた不規則幾何形状を該基板の切削線領域の表面上に形成し、更にエピタキシャル成長方式を利用し、周囲に凹凸幾何形状を具えた半導体発光素子を形成し、発光ダイオードの外部量子効率をアップし、商業上の大量生産に適合する。

本発明の発光ダイオードの製造方法は、まず基板を提供し、該基板表面に鈍化層を成長させ、並びに該鈍化層をパターン化し、該鈍化層に被覆される素子領域と該基板表面に露出する切削線領域を画定し、そのうち、該基板は、サファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム基板のいずれかとする。該基板を第１溶液内に置いて反応させ、該切削線領域の基板表面に高密度の化学反応層を形成し、その後、該鈍化層と該化学反応層をマスクとし、該基板の切削線領域に対して選択性エッチングを行い、そのエッチング法はドライエッチング或いはウェットエッチングとし、該切削線領域において該化学反応層のない部分の複数の凹部と上方に該化学反応層を有する凸部を形成する。

更に該基板を第２溶液内に置いてエッチングし、該化学反応層を除去し、該基板の切削線領域表面に凹部と凸部を具えた不規則幾何形状を形成し、その後、該鈍化層を除去し、且つ該基板表面をクリーニングする。続いて、該基板の表面の素子領域と切削線領域にエピタキシャル成長技術を利用して、半導体層構造を成長させ、且つ該切削線領域上の半導体層構造の表面に、複数の半導体層凹部と半導体層凸部を具備させる。最後にリソグラフィー工程により、素子領域上の半導体層構造に発光ダイオード素子を形成させる。

該半導体層構造は少なくとも一つのｎ型半導体層、活性層、及び少なくとも一つのｐ型半導体層を順にエピタキシャル成長させて形成し、そのうち、該活性層は発光領域として該ｎ型半導体層と該ｐ型半導体層の間に形成し、且つ該ｐ型半導体層をｐ型オームコンタクト電極と電気的に接続し、該ｎ型半導体層にｎ型オームコンタクト電極を電気的に接続して順方向バイアスを提供し、該切削線領域を該ｎ型半導体層までエッチングし、且つ該ｎ型半導体層表面に複数の半導体層凹部と半導体層凸部を具備させる。

そのうち、第１溶液と第２溶液は酸性溶液グループ、アルカリ性溶液グループから選択された少なくとも一種類及び数種類の組合せのいずれかとされる。該酸性溶液グループは、フッ化水素（ＨＦ）、硫酸（Ｈ₂ ＳＯ₄ ）、塩酸（ＨＣｌ）、りん酸（Ｈ₃ ＰＯ₄ ）、硝酸（ＨＮＯ₃ ）、王水（Ａｑｕａｒｅｇｉａ）、バッファードオキサイドエッチャント（ＢｕｒｒｅｒｅｄＯｘｉｄｅＥｔｃｈ；ＢＯＥ）、アルミニウムエッチャント（ＡｌＥｔｃｈａｎｔ）、過酸化水素（Ｈ₂ Ｏ₂ ）、ぎ酸（ＨＣＯＯＨ）、酢酸（ＣＨ₃ ＣＯＯＨ）、こはく酸（Ｃ₄ Ｈ₆ Ｏ₄ ）及びクエン酸（ＣｉｔｒｉｃＡｃｉｄ）を包含する。該アルカリ性溶液グループは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）₂ ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ₄ ＯＨ）、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ；ＴＭＡＨ）を包含する。

該基板を第１溶液と第２溶液中に置く時間はそれぞれ１秒から２００分間とし、該凹部と凸部の高度差は０．１μｍから１５μｍとする。

上述の方法で形成した発光ダイオード構造は、そのうち該基板の表面が素子領域と切削線領域に分けられ、且つ該切削線領域の表面に凹部と凸部を具えた不規則幾何形状が形成され、エピタキシャル成長技術を利用して、該半導体層構造が該基板表面の素子領域と切削線領域に成長させられ、更にリソグラフィー工程により、素子領域上の半導体層構造により該発光ダイオード素子が形成される。

本発明の長所は、新規な製造方法により基板の切削線表面に化学反応層を形成し、該化学反応層をエッチング用マスクとし、ウェットエッチング或いはドライエッチングにより、異なる凹凸面の不規則幾何形状を該基板の切削線表面上に形成し、更にエピタキシャル成長技術により、周囲に凹凸幾何形状を具えた半導体発光素子を形成し、これら凹部と凸部構造により発光ダイオード素子内部の光の散乱、回折効果に対して、半導体層と基板の界面中の光の横向き伝播の状況を減らし、全反射の確率を減らし、発光ダイオードの光取出し効率を向上する。このほか、該基板上方において、エピタキシャル材料を該凹凸面の不規則幾何形状に成長させ、材料中のスレッディングディスロケーション（ＴｈｒｅａｄｉｎｇＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を減らし、エピタキシャル材料の品質を向上し、これにより内部量子効率をアップする。且つ本発明は製造が簡単で、生産コストを減らせ、大量生産に適合する。

図１から図５に示されるように、本発明の発光ダイオードの製造方法は以下を包含する。

まず、基板（１０）を提供する。該基板（１０）は、サファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム基板のいずれかとする。該基板（１０）の表面に、鈍化層（１１）を成長させ、並びに該鈍化層（１１）をパターン化し、該鈍化層（１１）に被覆される素子領域（１０１）と該基板（１０）表面において露出する切削線領域（１０２）を画定する（図１）。

その後、サファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム基板のいずれかとされる該基板（１０）を第１溶液内に置き反応させ、該切削線領域（１０２）が露出した基板（１０）の表面に高密度の化学反応層（１０３）を形成する。
該第１溶液は酸性溶液グループ、アルカリ性溶液グループの少なくとも一つの材料、或いはそのグループの組合せのいずれかとする。
該酸性溶液グループは、フッ化水素、硫酸、塩酸、りん酸、硝酸、王水、バッファードオキサイドエッチャント、アルミニウムエッチャント、過酸化水素、ぎ酸、酢酸、こはく酸及びクエン酸を包含する。
該アルカリ性溶液グループは、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化アンモニウム、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイドを包含する。
該基板（１０）を該第１溶液内に置く時間は１秒から２００分間とする。その後、該鈍化層（１１）と該化学反応層（１０３）をマスクとして、該基板（１０）の切削線領域（１０２）に対して選択性エッチングを行い、切削線領域（１０２）の該化学反応層（１０３）の無い部分の複数の凹部（１０４）と、上方に化学反応層（１０３）を具えた凸部（１０５）を形成する（図２）。
本発明は、該第１溶液を使用して、該基板（１０）の切削線領域（１０２）に不連続の該化学反応層を形成し、続いて、選択性エッチングを行ない、このとき、該基板の、該化学反応層により被覆されていない部分に、該半導体凹部が形成され、該化学反応層により被覆された部分は反応しないため、半導体凸部が形成される。その後、さらに該化学反応層を除去し、こうして、該基板の切削線領域表面に凹部と凸部を有する不規則幾何形状を形成する。

該基板（１０）をサファイヤ基板（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）とする場合を例とすると（以下の説明で該基板（１０）はいずれもサファイヤ基板（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）とする）、サファイヤ基板（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）を硫酸（Ｈ₂ ＳＯ₄ ）（９６％）中に置き（硫酸を第１溶液とする）、液体温度は摂氏約２５〜４００度、反応時間は１秒〜２００分間とし、該基板（１０）の表面に高密度ナノメータレベルの該化学反応層（１０３）（Ａｌ₂ （ＳＯ₄ ）₃ 或いはＡｌ₂ （ＳＯ₄ ）・１７Ｈ₂ Ｏ等）を形成する。その後、該化学反応層（１０３）をマスクとし、該基板（１０）に対してドライエッチング或いはウェットエッチングで選択性エッチングを行う。

ウェットエッチングでサファイヤ基板（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）をエッチングする場合、その表面に凹部（１０４）と凸部（１０５）を形成させられる。また、サファイヤ基板を第１溶液例えば硫酸（Ｈ₂ ＳＯ₄ ）でエッチングする時間を、２．５分間から２０分間の間で変化させると、平均エッチング深さ（ａｖｅｒａｇｅｅｔｃｈｉｎｇｄｅｅｐ）、平均顆粒サイズ（ａｖｅｒａｇｅｇｒａｉｎｓｉｚｅ）、密度（ｄｅｎｓｉｔｙ）及びＲＭＳ粗度（ＲＭＳｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）の異なる基板（１０）が得られる。原子力顕微鏡で基板（１０）表面を観察した結果は、以下の表１のようになる。

さらにエッチング後の基板（１０）を第２溶液内に置いてエッチングし、該化学反応層（１０３）を除去し、凹部（１０４）と凸部（１０５）を具えた不規則幾何形状を基板（１０）の切削線領域（１０２）表面に形成する。
該第２溶液は酸性溶液グループ、アルカリ性溶液グループの少なくとも一つの材料、或いはそのグループの組合せのいずれかとする。
該酸性溶液グループは、フッ化水素、硫酸、塩酸、りん酸、硝酸、王水、バッファードオキサイドエッチャント、アルミニウムエッチャント、過酸化水素、ぎ酸、酢酸、こはく酸及びクエン酸を包含する。
該アルカリ性溶液グループは、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化アンモニウム、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイドを包含する。
該基板（１０）を第２溶液に置く時間は１秒から２００分間とする。
該第２溶液をりん酸（Ｈ₃ ＰＯ₄ ）とする場合を例として説明すると、該りん酸（Ｈ₃ＰＯ₄ ）の温度は摂氏２５度〜４００度、該基板（１０）を該第２溶液に置く時間は１秒から２００分間とし、該化学反応層（１０３）を除去してきれいにする。その後、該鈍化層（１１）を除去し、該基板（１０）の表面をクリーニングし、該基板（１０）の素子領域（１０１）表面の平坦性を維持する。

最後に該基板（１０）の素子領域（１０１）表面に発光ダイオードの半導体発光構造（２０）を形成する。該半導体発光構造（２０）は少なくとも一つのｎ型半導体層（２１）、活性層（２２）及び少なくとも一つのｐ型半導体層（２３）を順にエピタキシャル成長させてなり、該活性層（２２）は発光領域として該ｎ型半導体層（２１）と該ｐ型半導体層（２３）の間に形成する（図４）。該半導体層構造（２０）は該基板（１０）の素子領域（１０１）の表面でその平坦性を維持し、該切削線領域（１０２）の表面の半導体層構造（２０）（ｎ型半導体層（２１）、活性層（２２）、ｐ型半導体層（２３））のエピタキシャル成長の後、該凹部（１０４）と凸部（１０５）の不規則幾何形状により凹凸が不平坦の各層を形成し、これにより複数の半導体層凹部（２０４）と半導体層凸部（２０５）を形成する。

最後に、リソグラフィー工程により、該素子領域（１０１）上の半導体層構造（２０）に発光ダイオード素子（３０）を形成させる。すなわち、該素子領域（１０１）上の半導体層構造（２０）上の該ｐ型半導体層（２３）とｐ型オームコンタクト電極（３２）を電気的に接続し、該ｎ型半導体層（２１）にコンタクトウインドウを通してｎ型オームコンタクト電極（３１）を電気的に接続し、該発光ダイオード素子（３０）に順方向バイアスを提供する。該切削線領域（１０２）の半導体層構造（２０）を該ｎ型半導体層（２１）までエッチングし、且つ該ｎ型半導体層（２１）の表面に、複数の、半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）を具備させる。

該凹部（１０４）、凸部（１０５）、半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）の構造により、該半導体層構造（２０）内部の活性層（２２）の発射する光は、該基板（１０）上の凹部（１０４）と凸部（１０５）構造、及び該ｎ型半導体層（２１）上の半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）の構造により、散乱或いは回折し、全反射の確率が減り、該基板（１０）の上方或いは下方に向かう光束が増加し、発光ダイオード３０の光取出し効率が増し、総発光量が増す。

上述の方法で形成した発光ダイオードの構造は、基板（１０）であって、該基板（１０）の表面が素子領域（１０１）と切削線領域（１０２）に分けられ、且つ切削線領域（１０２）の表面に凹部（１０４）と凸部（１０５）を具えた不規則幾何形状が形成された、上記基板（１０）と、半導体層構造（２０）であって、該基板（１０）の表面の素子領域（１０１）と切削線領域（１０２）にエピタキシャル成長技術を利用して形成され、且つ該切削線領域（１０２）上の該半導体層構造（２０）の表面に複数の半導体層凹部（２０４）と半導体層凸部（２０５）が形成され、更にリソグラフィー工程により、素子領域（１０１）上の半導体層構造（２０）が該発光ダイオード素子（３０）を形成し、該切削線領域（１０２）の半導体層構造（２０）が該ｎ型半導体層（２１）までエッチングされ、且つ該ｎ型半導体層（２１）表面に複数の半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）を具備する、上記半導体層構造（２０）と、を包含する。

本発明の精神は、切削線領域（１０２）の表面に化学反応層（１０３）を形成し、その後、選択性エッチングにより、該基板（１０）の切削線領域（１０２）の表面を凹部（１０４）と凸部（１０５）を具えた構造とし、更にエピタキシャル成長技術を利用し、切削線上の半導体層表面に不規則な凹凸幾何形状を形成する。これら凹部（１０４）と凸部（１０５）構造と、これら半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）により、該発光ダイオード素子（３０）内部の光はこれら凹部（１０４）、凸部（１０５）、半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）部分で散乱、回折効果を発生し、該ｎ型半導体層（２１）と該基板（１０）の界面中の光の横方向伝播の状況を減らし、全反射の確率を減らし、該発光ダイオード素子（３０）の光取出し効率を高める。

以上の実施例は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなし得る細部の修飾或いは変更はいずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

本発明の基板表面の鈍化層のパターン化の表示図である。本発明の基板表面に化学反応層を形成してエッチングした後の構造表示図である。本発明の切削線領域の凹部と凸部を具えた構造表示図である。本発明の基板表面のエピタキシャル半導体層の構造表示図である。本発明の発光ダイオード構造の表示図である。

１０基板１１鈍化層
１０３化学反応層
１０１素子領域１０２切削線領域
１０４凹部１０５凸部
２０４半導体層凹部２０５半導体層凸部
２０半導体層構造３０発光ダイオード素子
２１４半導体層凹部２１５半導体層凸部

Claims

発光ダイオードの製造方法において、
基板（１０）を提供し、その表面に鈍化層（１１）を成長させ、並びに該鈍化層（１１）をパターン化し、該鈍化層（１１）に被覆される素子領域（１０１）と該基板（１０）表面に露出する切削線領域（１０２）を画定する工程、
該基板（１０）を第１溶液内に置いて反応させ、該切削線領域（１０２）の露出した基板（１０）表面に高密度の化学反応層（１０３）を形成する工程、
その後、該鈍化層（１１）と該化学反応層（１０３）をマスクとし、該基板（１０）の切削線領域（１０２）に対して選択性エッチングを行い、該切削線領域（１０２）において該化学反応層（１０３）のない部分の複数の凹部（１０４）と上方に該化学反応層（１０３）を有する凸部（１０５）を形成する工程、
更に該基板（１０）を第２溶液内に置いてエッチングし、該化学反応層（１０３）を除去し、該基板（１０）の切削線領域（１０２）表面に凹部（１０４）と凸部（１０５）を具えた不規則幾何形状を形成する工程、
該鈍化層（１１）を除去し、且つ該基板（１０）表面をクリーニングする工程、
該基板（１０）の表面の素子領域（１０１）と切削線領域（１０２）にエピタキシャル成長技術を利用して、半導体層構造（２０）を成長させ、且つ該切削線領域（１０２）上の半導体層構造（２０）の表面に、複数の半導体層凹部（２０４）と半導体層凸部（２０５）を具備させる工程、
リソグラフィー工程により、素子領域（１０１）上の半導体層構造（２０）に発光ダイオード素子（３０）を形成させる工程、
を包含したことを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
請求項１記載の発光ダイオードの製造方法において、該基板（１０）はサファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム基板のいずれかとすることを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
請求項１記載の発光ダイオードの製造方法において、該第１溶液と第２溶液は酸性溶液グループ、アルカリ性溶液グループの少なくとも一つの材料、或いはそのグループの組合せのいずれかとすることを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
請求項３記載の発光ダイオードの製造方法において、該酸性溶液グループは、フッ化水素、硫酸、塩酸、りん酸、硝酸、王水、バッファードオキサイドエッチャント、アルミニウムエッチャント、過酸化水素、ぎ酸、酢酸、こはく酸及びクエン酸を包含することを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
請求項３記載の発光ダイオードの製造方法において、該アルカリ性溶液グループは、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化アンモニウム、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイドを包含することを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
請求項１記載の発光ダイオードの製造方法において、該基板（１０）を第１溶液に置く時間は１秒から２００分間とする、発光ダイオードの製造方法。
請求項１記載の発光ダイオードの製造方法において、該基板（１０）を第２溶液に置く時間は１秒から２００分間とする、発光ダイオードの製造方法。
請求項１記載の発光ダイオードの製造方法において、該凹部（１０４）と凸部（１０５）の高度差を０．１μｍから１５μｍとする、発光ダイオードの製造方法。
請求項１記載の発光ダイオードの製造方法において、該半導体発光構造（２０）は、少なくとも一つのｎ型半導体層（２１）、活性層（２２）、及び少なくとも一つのｐ型半導体層（２３）を順にエピタキシャル成長させて形成し、そのうち、該活性層（２２）は発光領域として該ｎ型半導体層（２１）と該ｐ型半導体層（２３）の間に形成し、且つリソグラフィー工程により、該ｐ型半導体層（２３）をｐ型オームコンタクト電極（３２）と電気的に接続し、該ｎ型半導体層（２１）にｎ型オームコンタクト電極（３１）を電気的に接続して該発光ダイオード素子（３０）に順方向バイアスを提供し、該切削線領域（１０２）を該ｎ型半導体層（２１）までエッチングし、且つ該ｎ型半導体層（２１）表面に複数の半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）を具備させることを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
発光ダイオードの構造において、
基板（１０）であって、該基板（１０）の表面が素子領域（１０１）と切削線領域（１０２）に分けられ、且つ切削線領域（１０２）表面に複数の凹部（１０４）と凸部（１０５）を具えた不規則幾何形状が形成された、上記基板（１０）と、
発光ダイオード素子（３０）であって、エピタキシャル成長技術を利用し、半導体層構造（２０）が該基板（１０）表面の素子領域（１０１）と切削線領域（１０２）に形成され、且つ該切削線領域（１０２）上の該半導体層構造（２０）が複数の半導体層凹部（２０４）と半導体層凸部（２０５）を具え、更にリソグラフィー工程によって、素子領域（１０１）上の半導体層構造（２０）で該発光ダイオード素子（３０）が形成された、上記発光ダイオード素子（３０）と、
を包含し、
該半導体発光構造（２０）は、少なくとも一つのｎ型半導体層（２１）、活性層（２２）、及び少なくとも一つのｐ型半導体層（２３）を順にエピタキシャル成長させて形成され、そのうち、該活性層（２２）は発光領域とされ該ｎ型半導体層（２１）と該ｐ型半導体層（２３）の間に形成され、且つリソグラフィー工程により、該ｐ型半導体層（２３）がｐ型オームコンタクト電極（３２）と電気的に接続され、該ｎ型半導体層（２１）にｎ型オームコンタクト電極（３１）が電気的に接続され該発光ダイオード素子（３０）に順方向バイアスが提供され、該切削線領域（１０２）が該ｎ型半導体層（２１）までエッチングされ、且つ該ｎ型半導体層（２１）表面に複数の半導体層凹部（２１４）と半導体層凸部（２１５）を具備することを特徴とする、発光ダイオードの構造。
請求項１０記載の発光ダイオードの構造において、該基板（１０）がサファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム基板のいずれかとされたことを特徴とする、発光ダイオードの構造。
請求項１０記載の発光ダイオードの構造において、該凹部（１０４）と凸部（１０５）の高度差が０．１μｍから１５μｍである、発光ダイオードの構造。