JP5677753B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子及びその製造方法に関するものである。
発光素子（ＬＥＤ）は、電気エネルギーが光エネルギーに変換される特性であるｐ‐ｎ接合ダイオードを、周期律表上のＩＩＩ族とＶ族元素の化合により生成することができる。ＬＥＤは化合物半導体の組成比を調節することで、様々な色の具現が可能である。
発光素子は、順方向電圧の印加時ｎ層の電子とｐ層の正孔が結合して伝導帯と価電子帯のエネルギーギャップに該当する分のエネルギーを放出するが、このエネルギーは主に熱や光の形態に放出され、光の形態に放出されるのがＬＥＤとなる。
例えば、窒化物半導体は高い熱的安全性と幅広いバンドギャップエネルギーによって、光素子及び高出力電子素子の開発分野で大きく注目されている。特に、窒化物半導体を用いた青色発光素子、緑色発光素子、紫外線発光素子などは、商用化され、広く使われている。
一方、発光素子の効率は外部発光効率である光抽出効率（extraction efficiency）と内部発光効率（Internal quantum efficiency）に大分することができる。この中、外部発光効率は活性層で発生した光が素子の外部に出てくる確率を指し、主に発光構造物と背景物質である空気またはエポキシの屈折率の差による全反射過程によって、制限された値を持つ。
本発明は、発光構造物と背景物質の空気またはエポキシの界面において内部反射による光抽出効率の減少を制御し、発光構造物と背景物質の間の屈折率の差を考慮した物質を選定して、光抽出効率を向上させることができる発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明による発光素子は、第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層を含む発光構造物と、前記発光構造物上に形成された第１電極と、及び前記発光構造物上に形成された光脱出層（Photon Escape layer）とを含むことができる。
また、本発明による発光素子は、発光構造物上に形成された光脱出層と、前記発光構造物上に形成された第１電極と、及び前記第１電極上に形成されたパッドとを含むことができる。
本発明による発光素子の製造方法は、第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層を含む発光構造物を形成する段階と、前記発光構造物上に第１電極を形成する段階と、及び前記発光構造物上に光脱出層を形成する段階とを含むことができる。
本発明による発光素子及びその製造方法によれば、発光構造物上に発光構造物と背景物質の間の屈折率の差を考慮した物質を形成することで、光子の脱出経路を広くし、これによって、活性層から発生した光子の脱出経路が増えることで、光抽出効率が向上する効果がある。
以下、添付された図面を参照しながら本発明を詳しく説明する。
本発明による実施例の説明において、各層（膜）、領域、パターン又は構造物が基板、各層（膜）、領域、パッド又はパターンの“上”に又は“下”に形成されると記載される場合、“上”と“下”は直接又は他の層を介在して形成されることを皆含む。また、各層の“上”又は“下”の基準は図面を基準として説明する。なお、図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性を図り、誇張、省略又は概略的に図示されている。また、各構成要素の大きさは実際の大きさを全面的に反映するものではない。
（第１実施例）
（第１実施例）
図２は、本発明による発光素子の平面図で、図１は図２のＩ‐Ｉ’線上の断面図である。
本発明による発光素子は第１導電型半導体層１１２、活性層１１４、第２導電型半導体層１１６が含まれた発光構造物１１０と、前記発光構造物１１０の縁部に形成された絶縁層１３０と、前記発光構造物１１０上に形成された第１電極１４２と、前記発光構造物１１０上に形成された光脱出層１５０及び前記第１電極１４２上に形成されたパッド１６０を含むことができる。
本発明による発光素子は、光脱出層を発光構造物上に蒸着、或いは再成長により光の脱出経路を拡張して光抽出効率を向上する構造を採用することができる。
本発明による発光素子は、光脱出層を採用することで内部の散乱因子を無くして光の経路を妨害せず、広い角度の脱出経路を提供することで光の脱出経路が偏向しない長所がある。
本発明による発光素子は、内部の散乱因子である屈折または反射によって光の脱出経路が変わることはあっても、広い角度の脱出角度によって光の脱出が可能となる長所がある。
本発明による発光素子は、屈折率に係る物性を選択的に適用して蒸着或いは再成長法によって、光脱出層を形成することができる長所がある。
本発明によれば、パッケージモールディング材などによって表面接合部を形成する時、屈折率の差によって光の脱出経路が保障される長所がある。
従って、本発明による発光素子によれば、発光構造物上に発光構造物と背景物質の間の屈折率の差を考慮した物質を形成することで、光子の脱出経路を広くし、これによって、活性層から発生した光の脱出経路が増えることで、光抽出効率が向上する効果がある。
以下、図３〜図２３を参照しながら第１実施例による発光素子の製造方法を説明する。第１実施例は、第１基板（図示しない）上に発光構造物１１０を形成した後第１基板を除去する工程を説明するが、これに限定されるものではなく、第２電極層１２０のような伝導性基板などに発光構造物１１０を形成する方法も可能である。
先ず、図３に示しているように、第１基板（図示しない）を準備し、前記第１基板上に発光構造物１１０を形成する。以後、前記第１基板上に形成された前記発光構造物１１０の下に第２電極層１２０を形成することができる。
前記第１基板はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）単結晶基板、ＳｉＣ基板などからなることができるが、これに限定されるものではない。前記第１基板に対して湿式洗浄を行って表面の不純物を除去することができる。
この時、前記発光構造物１１０は図４のように第１導電型半導体層１１２、活性層１１４、第２導電型半導体層１１６を含むことができるが、これに限定されるものではなく、前記第１導電型半導体層１１２上にアンドープ半導体層をさらに形成することができる。また、前記発光構造物１１０はＧａＮ半導体層からなることができるが、これに限定されるものではない。
以下、前記発光構造物１１０と前記第２電極層１２０を形成する工程を説明する。前記第１導電型半導体層１１２は化学蒸着法（ＣＶＤ）、或いは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、或いはスパッタリング、或いはハイドライド気相成長法(ＨＶＰＥ)等の方法によりｎ型ＧａＮ層を形成することができる。また、前記第１導電型半導体層１１２はチャンバーにトリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びシリコン（Ｓｉ）のようなｎ型不純物を含むシランガス（ＳｉＨ４）が注入して形成することができる。
前記活性層１１４は、第１導電型半導体層１１２より注入される電子と第２導電型半導体層１１６より注入される正孔が結合し、活性層（発光層）物質の固有のエネルギーバンドによって決定されるエネルギーを持つ光を放出する層である。活性層１１４は、エネルギーバンドが異なる窒化物半導体薄膜層を交互に一回又は数回積層してなる量子井戸構造を持つことができる。例えば、前記活性層１１４はトリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びトリメチルインジウムガス（ＴＭＩｎ）が注入されてＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を持つ多重量子井戸構造からなることができるが、これに限定されるものではない。
前記第２導電型半導体層１１６はチャンバーにトリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びマグネシウム（Ｍｇ）のようなｐ型不純物を含むビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）{Ｍｇ（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２}が注入されたｐ型ＧａＮ層からなることができるが、これに限定されるものではない。
次に、図５に示すように、前記第２電極層１２０はオーミック層１２２、反射層１２４、接着層１２６、第２基板（図示しない）等を含むことができる。
前記オーミック層１２２は、効率的な正孔の注入のために、単一金属或いは合金、金属酸化物などを積層して形成することができる。例えば、前記オーミック層１２２はＩＴＯ、ＩＺＯ（In-ZnO）、ＧＺＯ（Ga-ZnO）、ＡＺＯ（Al-ZnO）、ＡＧＺＯ（Al-GaZnO）、ＩＧＺＯ（In-GaZnO）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯ中少なくとも１つを含んでなることができるが、このような材料に限定されるものではない。
前記反射層１２４はＡｌ、Ａｇ、或いはＡｌやＡｇを含む合金を含む金属層からなることができるが、これに限定されるものではない。
なお、本発明が、接着層１２６を含む場合、前記反射層１２４が接着層１２６の機能をすることができる。また、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等を用いて接着層を形成することができる。
また、第２電極層１２０が第２基板（図示しない）を含むことができ、なお、前記第１導電型半導体層１１２が５０μｍ以上の十分な厚さをもつ場合には、第２基板を形成する工程は省略することができる。前記第２基板は効率的な正孔の注入のために、電気伝導性が優れた金属、合金、又は伝導性半導体物質からなることができる。例えば、前記第２基板は銅（Cu）、銅合金（Cu Alloy）またはＳｉ、Ｍｏ、ＳｉＧｅ中いずれか１つからなることができる。前記第２基板は電気化学的な金属蒸着法、または共晶金属を用いた接着法などにより形成することができる。
次に、前記第１導電型半導体層１１２が露出するように前記第１基板を除去する。前記第１基板は高出力レーザーによって第１基板を分離する方法、または化学エッチング法によって除去することができる。また、前記第１基板は物理的に分離させることで除去することもできる。
次に、図６及び図７に示しているように、前記発光構造物１１０の縁部に絶縁層１３０を形成することができる。例えば、前記第１導電型半導体層１１２、前記活性層１１４、前記第２導電型半導体層１１６の縁部を一部除去し、酸化膜または窒化膜などにより絶縁層１３０を形成してパッシベーション（passivation）膜を形成することができる。
次に、図８及び図９のように前記発光構造物１１０上に第１電極１４２を形成することができる。前記第１電極１４２は前記発光構造物１１０と広い範囲において接触しつつ光の放出を遮らない形態に形成することができる。例えば、前記第１電極１４２は翼の形態、または格子の形態に形成することができるが、これに限定されるものではない。
次に、図１０及び図１１に示しているように、前記発光構造物１１０上に光脱出層１５０を形成する。
本発明による発光素子及びその製造方法によれば、発光構造物１１０上に発光構造物１１０と背景物質（図示しない）の間の屈折率の差を考慮した物質より光脱出層１５０を形成することで、光子の脱出経路を広くし、これによって、活性層１１４から発生した光の脱出経路が増えることで、光抽出効率が向上する効果がある。
第１実施例は蒸着法で光脱出層１５０を形成する方法を説明及び図示しているが、これに限定されるものではなく、後述する第２実施例のように成長法によっても形成することができる。
第１実施例によれば、前記光脱出層１５０が蒸着法によって形成されることで、前記第１電極１４２及び絶縁層１３０上にも前記光脱出層１５０が形成されるが、これに限定されるものではない。
本発明は、発光構造物１１０の屈折率と背景物質の屈折率の間の屈折率を持つ誘電体膜または伝導性膜により光脱出層１５０を形成することができる。
例えば、本発明はＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｇＦ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＴｉＮｘ、Ｇａ２Ｏ３、ＩＴＯ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ、ＺｎＯ:Ａｌなどにより光脱出層１５０を形成することで、光量の損失を防ぐことができ、このような光脱出層１５０は発光構造物１１０と背景物質の間の屈折率を有するので、活性層で発生した光量の脱出経路を提供する役割をすることができる。
本発明において、このような光脱出層１５０の働きをする物質はランベルトの法則に従う透明層（transmitting layer）からなることができ、発光構造物の発光面の上部に位置して光脱出経路を提供することができる。
本発明は、光脱出層１５０の物質として誘電体膜の他に伝導性膜を含むことができる。本発明では、光脱出層として伝導性膜、及び酸化物、フッ化物、窒化物系の薄膜などを用いることができ、光脱出層は発光構造物１１０と背景物質の間の屈折率を持つことができる。
次に、図１２及び図１３に示しているように、パッド領域を露出する第１パターン３１０を形成することができる。例えば、前記第１パターン３１０は感光膜または絶縁膜などから形成することができるがこれに限定されるものではない。また、前記第１パターン３１０は前記光脱出層１５０の縁部も露出することができるが、これに限定されるものではない。
次に、図１４及び図１５のように、前記第１パターン３１０をマスクとして前記パッド領域の光脱出層１５０をウェットエッチング又はドライエッチング等により一部除去し、前記第１電極１４２を一部露出させることができる。
この時、パッド領域上の発光構造物１１０も一部露出され、また前記光脱出層１５０の縁部も一部除去されるが、これに限定されるものではない。
次に、図１６及び図１７に示しているように、前記第１パターン３１０を除去する。例えば、前記第１パターン３１０が感光膜である場合はアッシングにより、また前記第１パターン３１０が絶縁膜である場合はウェットエッチングによって除去することができるが、これに限定されるものではない。
次に、図１８及び図１９のように、前記露出された第１電極１４２以外の領域に、マスクパターンまたは絶縁膜などにより第２パターン３２０を形成する。この時、前記第２パターン３２０によって第１電極１４２以外のパッド領域の前記発光構造物１１０が一部露出されるが、これに限定されるものではない。
次に、図２０及び図２１に示しているように、前記第２パターン３２０を含む前記発光構造物１１０の上にパッド用物質１６０ａ、１６０ｂを形成する。これによって、パッド用物質は、第２パターン３２０上に形成されたパッド用物質１６０ｂと露出された第１電極１４２上のパッド用物質１６０ａを含むことができる。
次に、図２２及び図２３に示しているように、前記第２パターン３２０を除去して前記第１電極１４２上にパッド１６０を形成することができる。例えば、前記第２パターン３２０が除去されることによって前記第２パターン３２０上のパッド物質１６０ｂが共に除去されることで、第１電極１４２上のパッド物質１６０ａが残存し、パッド１６０を形成することができる。
図２４〜図２６は、第１実施例による発光素子の製造方法の他の工程図である。前記第１実施例の内容と異なる部分を中心に説明することにする。
図２４のようにパッド領域を露出する第３パターン３３０を形成することができる。例えば、前記第３パターン３３０は感光膜または絶縁膜などからなることができるが、これに限定されない。また、前記第３パターン３３０は前記光脱出層１５０の縁部にも形成することができる。
以後、図２５のように前記第３パターン３３０をマスクとして前記パッド領域の光脱出層１５０をウェットエッチングまたはドライエッチング等で一部除去し、前記第１電極１４２を一部露出させることができる。この時、パッド領域上の発光構造物１１０も一部露出されるが、これに限定されるものではない。
以後、図２６に示しているように、前記第３パターン３３０を含む前記発光構造物１１０の上にパッド用物質を形成し、前記第３パターン３３０を除去して前記第１電極１４２上にパッド１６０を形成することができる。
本発明による発光素子及びその製造方法によれば、発光構造物上に発光構造物と背景物質の間の屈折率の差を考慮した物質を形成することで、光子の脱出経路を広くし、これによって、活性層で発生した光の脱出経路が増えることで、光抽出効率が向上する効果がある。
（第２実施例）
（第２実施例）
図２７及び２８は、第２実施例による発光素子の断面図と平面図である。図２７は、図２８のＩＩ‐ＩＩ’線上の断面図である。
第２実施例は、前記第１実施例の技術的特徴を採用することができ、以下、異なる部分を中心に説明することにする。
第１実施例は蒸着法で光脱出層１５０を形成する方法であるのに対し、第２実施例は成長法で光脱出層１５２を形成することができる。例えば、第２実施例では、光脱出層１５２はエピタキシャル成長法などによって形成することができるが、これに限定されるものではない。
一方、第２実施例では、光脱出層１５２は成長法によって形成されることで、光脱出層１５２が第１電極１４２と絶縁層１３０上に形成されない場合があるが、これに限定されるものではない。
以上、本発明を実施例を中心に説明したが、これらの実施例は本発明を限定するものではない。本発明の精神と範囲を離脱することなく、多様な変形と応用が可能であることは、当業者によって明らかである。例えば、本発明の実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施することができるものであり、このような変形と応用に係る差異点は、添付の特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
本発明による発光素子は窒化物半導体の発光ダイオードに適用することができるが、これに限定されるものではない。
１１０ 発光構造物、 １１２ 第１導電型半導体層、 １１４ 活性層、 １１６ 第２導電型半導体層、 １２０ 第２電極層、 １２２ オーミック層、 １２４ 反射層、 １２６ 接着層、 １３０ 絶縁層、 １４２ 第１電極、 １５０ 光脱出層、 １６０ パッド、 ３１０ 第１パターン、 ３２０ 第２パターン、 ３３０ 第３パターン。
Claims (3)
- 第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層を含む発光構造物と、
前記発光構造物上に形成された第１電極と、
前記発光構造物上に形成された光脱出層と、を含み、
前記光脱出層は、前記第１電極の一部を覆うように配置され、
前記光脱出層は、前記第１電極及び前記第１導電型半導体層の一部を露出させる除去された領域を有し、
前記第１電極は、互いに離隔された複数の翼で形成された翼の形態を有し、
前記翼の形態の各々の翼の一部は、前記光脱出層の除去された領域を介して露出され、
前記光脱出層が除去された領域に配置されて前記光脱出層から露出された前記各々の翼の一部を全て覆うように配置されたパッドをさらに含む、発光素子。 - 前記光脱出層は、前記発光構造物の屈折率と前記発光構造物に対する背景物質の屈折率の間の屈折率を有する、請求項１に記載の発光素子。
- 前記光脱出層は、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｇＦ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＴｉＮｘ、Ｇａ２Ｏ３、ＩＴＯ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ、ＺｎＯ:Ａｌ中少なくとも１つを含む、請求項１に記載の発光素子。
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