JP2007142420A - 垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子 - Google Patents

Abstract

【課題】外部量子効率の改善効果を極大化し、電流分散効果を向上させて高出力特性を確保する垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を提供する。
【解決手段】発光素子は、ｎ型ボンディングパッド１１０と、前記ｎ型ボンディングパッドの下面に形成されたｎ型反射電極１２０と、前記ｎ型反射電極の下面に形成されたｎ型透明電極１３０と、前記ｎ型透明電極の下面に形成されたｎ型窒化ガリウム層１４０と、前記ｎ型窒化ガリウム層の下面に形成された活性層１５０と、前記活性層の下面に形成されたｐ型窒化ガリウム層１６０と、前記ｐ型窒化ガリウム層の下面に形成され、前記ｐ型窒化ガリウム層と接しない面が凹凸状のプロフィールを有するｐ型電極１７０と、前記ｐ型電極の下面に前記ｐ型電極の凹凸状の表面に沿って形成されたｐ型反射電極２００と、前記ｐ型反射電極の下面に形成された構造支持層１９０と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、垂直構造（垂直電極型）の窒化ガリウム系（ＧａＮ）発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；以下、ＬＥＤという）素子及びその製造方法に関し、特に、光抽出効率を高めて外部量子効率を増大させることができる垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に関する。

一般に、窒化ガリウム系ＬＥＤは、サファイア基板上に成長するが、かかるサファイア基板は硬く、電気的に不導体であり、熱伝導特性がよくないことから、窒化ガリウム系ＬＥＤのサイズを減らして製造原価を低減するのに限界があり、また光出力及びチップの特性を改善させるのにも限界がある。特に、ＬＥＤの高出力化のためには、大電流印加が必須となっているため、ＬＥＤの熱放出問題を解決することが重要である。上記のような問題を解決するための手段として、従来は、レーザリフトオフ（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ−Ｏｆｆ；以下、ＬＬＯという）を用いてサファイア基板を除去した垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が提案されている。

以下に、図を参照して従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について詳細に説明する。

図１は、従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。

同図に示すように、従来技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、ｎ型ボンディングパッド１１０と、前記ｎ型ボンディングパッド１１０の下面に形成されたｎ型反射電極１２０と、前記ｎ型反射電極１２０の下面に形成されて電流拡散効率を向上させるｎ型透明電極１３０と、前記ｎ型透明電極１３０の下面に形成されているｎ型窒化ガリウム層１４０と、前記ｎ型窒化ガリウム層１４０の下面に形成されている活性層１５０と、前記活性層１５０の下面に形成されているｐ型窒化ガリウム層１６０と、前記ｐ型窒化ガリウム層１６０の下面に形成されているｐ型電極１７０と、前記ｐ型電極１７０の下面に形成された構造支持層１９０とを備える。

符号１８０は、構造支持層１９０が電解メッキまたは無電解メッキ法によって形成されるとき、メッキ工程において、メッキ結晶核の役割を果たすメッキシード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）である。

ところが、従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、前記ｐ型窒化ガリウム層の下面に形成されたｐ型電極がＣｒ／Ａｕからなっているため、活性層で発光する光の一部を吸収したり、または全反射させたりして、素子の全体的な発光効率を低下するという問題がある。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ｐ型電極を、表面が凹凸状であるプロフィールを有する透明層で形成することにより、外部量子効率の改善効果を極大化し、電流分散効果を向上させて高出力特性を確保する垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子によれば、ｎ型ボンディングパッドと、前記ｎ型ボンディングパッドの下面に形成されたｎ型反射電極と、前記ｎ型反射電極の下面に形成されたｎ型透明電極と、前記ｎ型透明電極の下面に形成されたｎ型窒化ガリウム層と、前記ｎ型窒化ガリウム層の下面に形成された活性層と、前記活性層の下面に形成されたｐ型窒化ガリウム層と、前記ｐ型窒化ガリウム層の下面に形成され、前記ｐ型窒化ガリウム層と接しない面が凹凸状のプロフィールを有するｐ型電極と、前記ｐ型電極の下面に前記ｐ型電極の凹凸状の表面に沿って形成されたｐ型反射電極と、前記ｐ型反射電極の下面に形成された構造支持層とを備える。

また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子では、前記ｐ型電極は、透明層からなることが好ましく、さらに好ましくは、透明導電性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ；以下、ＴＣＯという）またはＮｉ／Ａｕからなる。前記ＴＣＯは、錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を酸化インジウムに添加して形成された混合物を用いることが好ましい。

また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子では、前記ｐ型窒化ガリウム層と前記ｐ型電極との間の界面に形成された接着層をさらに備えることが好ましい。

また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子では、前記接着層は透明層からなり、前記ｐ型電極を構成する物質と異なる物質からなることが好ましい。

また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子では、前記接着層は、透明なＮｉ／Ａｕからなり、または、酸化インジウムに錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を添加して形成される混合物からなり、前記ＴＣＯと添加する元素を異にしてなり、または、酸化インジウムに錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を添加して形成される混合物からなり、前記ＴＣＯと添加する元素の添加量を異にしてなることが好ましい。

また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子では、前記接着層は、厚さが増加するほど透過率が減少するため、１Å〜２００Åの範囲の厚さを有することが好ましい。

また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子では、前記構造支持層が、前記構造支持層と接する前記ｐ型反射電極の表面が凹凸状になっているため、メッキ結晶核を用いた電解メッキまたは無電解メッキ法によって形成することが好ましい。

本発明によれば、ｐ型電極表面を凹凸状のプロフィールを有するように形成することにより、活性層で発光する光の一部がｐ型電極に吸収または散乱されて消滅することを最小化して光抽出効率を向上させ、外部量子効率の改善効果を極大化させることができる。

本発明によれば、前記ｐ型電極を透明層に形成し電流拡散効果を向上させ、高出力特性を確保することができる。

したがって、本発明は、垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の特性及び信頼性を向上させることができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。

図において複数の層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して表した。明細書の全体において類似の構成要素については同一の符号を付している。

以下に、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について、図２を参照して詳しく説明する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。

同図に示すように、本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の最上部には、外部素子と電気的に連結するためのｎ型ボンディングパッド１１０が形成されている。

前記ｎ型ボンディングパッド１１０の下面には、光効率を向上させるためのｎ型反射電極１２０が形成されている。

前記ｎ型反射電極１２０の下面には、ｎ型窒化ガリウム層１４０が形成されており、さらに詳しくは、前記ｎ型窒化ガリウム層１４０は、ｎ型不純物ドーピングされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成されることができる。

一方、電流拡散現象を向上させるために、本発明は、前記ｎ型反射電極１２０と前記ｎ型窒化ガリウム層１４０との間の界面にはｎ型透明電極１３０をさらに備えている。

前記ｎ型窒化ガリウム層１４０の下面には、活性層１５０及びｐ型窒化ガリウム層１６０が下へ順次積層されて、窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物をなす。

前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物のうちの活性層１４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層から構成された多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）で形成することができ、前記ｐ型窒化ガリウム層１６０は、前記ｎ型窒化ガリウム層１４０と同様に、ｐ型不純物がドーピングされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成することができる。

前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物のｐ型窒化ガリウム層１６０の下面には、ｐ型電極１７０が形成されている。前記ｐ型電極１７０は、透明層からなることが好ましく、さらに好ましくは、ＴＣＯまたはＮｉ／Ａｕからなる。前記ＴＣＯは、錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を酸化インジウムに添加して形成された混合物を用いることが好ましい。

すなわち、本発明に係るｐ型電極１７０は、従来の技術によってＣｒ／Ａｕからなるｐ型電極とは異なり、ＴＣＯまたはＮｉ／Ａｕのような透明層からなっているため、前記活性層で発光する光の一部がｐ型電極に吸収されて消滅される光の量を最小化して発光効率を向上させることができると共に、電流拡散効果をさらに向上させることができるという利点がある。

また、前記ｐ型電極１７０は、前記ｐ型窒化ガリウム層１６０と接しない面、すなわち、ｐ型電極１７０の下面が凹凸状のプロフィールを有するように形成されており、これにより活性層で発光する光を散乱させるため、外部量子効率を極大化することができる。

一方、図示していないが、本発明は、前記ｐ型電極１７０とｐ型窒化ガリウム層１６０の接着力を向上させるために、前記ｐ型電極１７０と前記ｐ型窒化ガリウム層１６０との間の界面に形成された接着層をさらに含むことができる。前記接着層は、厚さが増加するほど透過率が減少するため、１Å〜２００Åの範囲の厚さを有することが好ましい。

また、前記接着層は、透明層からなり、前記ｐ型電極１７０を構成する物質と異なる物質からなることが好ましい。さらに詳しくは、前記接着層は優れた接着力を得るために、酸化インジウムに錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を添加して形成される混合物からなり、前記ＴＣＯと添加する元素を異にしてなり、または、前記ＴＣＯと添加する元素の添加量を異にしてなることが好ましい。

また、前記ｐ型電極１７０の下面に、前記ｐ型電極１７０の凹凸状の表面に沿って、ｐ型反射電極２００が形成されている。すなわち、前記ｐ型反射電極２００は、前記ｐ型電極１７０の凹凸状の表面に沿って形成されているため、ｐ型反射電極２００も凹凸状のプロフィールを有することになり、前記活性層で発光する光が全反射されて損失されることを防止する役割を果たす。

前記ｐ型反射電極２００の下面には、メッキシード層１８０を用いて電解メッキまたは無電解メッキして形成されたメッキ層からなる構造支持層１９０が形成されている。

一方、本実施形態では、前記構造支持層１９０としてメッキシード層１８０を結晶核として用いて形成されたメッキ層を説明しているが、これに限られるものではなく、前記構造支持層は、最終的なＬＥＤ素子の支持層及び電極としての役割を行うものであって、シリコン（Ｓｉ）基板、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板または金属層などからなり得る。

また、前記金属層は、熱蒸着（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔａｔｉｏｎ）、電子線蒸着（ｅ−ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、スパッタ（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）などの方式により形成されたものが使用可能である。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更を行うことが可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１１０ ｎ型ボンディングパッド
１２０ ｎ型反射電極
１３０ ｎ型透明電極
１４０ ｎ型窒化ガリウム層
１５０ 活性層
１６０ ｐ型窒化ガリウム層
１７０ ｐ型電極
１８０ メッキシード層
１９０ 支持構造層
２００ ｐ型反射電極

Claims (10)

1. ｎ型ボンディングパッドと、
   前記ｎ型ボンディングパッドの下面に形成されたｎ型反射電極と、
   前記ｎ型反射電極の下面に形成されたｎ型透明電極と、
   前記ｎ型透明電極の下面に形成されたｎ型窒化ガリウム層と、
   前記ｎ型窒化ガリウム層の下面に形成された活性層と、
   前記活性層の下面に形成されたｐ型窒化ガリウム層と、
   前記ｐ型窒化ガリウム層の下面に形成され、前記ｐ型窒化ガリウム層と接しない面が凹凸状のプロフィールを有するｐ型電極と、
   前記ｐ型電極の下面に前記ｐ型電極の凹凸状の表面に沿って形成されたｐ型反射電極と、
   前記ｐ型反射電極の下面に形成された構造支持層と、
   を備える垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
2. 前記ｐ型電極は、透明層からなることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
3. 前記透明層は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）またはＮｉ／Ａｕからなることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
4. 前記透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を酸化インジウムに添加して形成される混合物であることを特徴とする請求項３に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
5. 前記ｐ型窒化ガリウム層と前記ｐ型電極との間の界面に形成された接着層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
6. 前記接着層は、透明層からなり、前記ｐ型電極を構成する物質と異なる物質からなることを特徴とする請求項５に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
7. 前記接着層は、酸化インジウムに錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を添加して形成される混合物からなり、前記ｐ型電極をなす透明導電性酸化物（ＴＣＯ）と添加する元素を異にしてなることを特徴とする請求項６に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
8. 前記接着層は、酸化インジウムに錫、亜鉛、銀、マグネシウム、銅及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ以上の元素を添加して形成される混合物からなり、前記ｐ型電極をなすＴＣＯと添加する元素の添加量を異にしてなることを特徴とする請求項６に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
9. 前記接着層は、１Å〜２００Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
10. 前記構造支持層が、メッキ結晶核を用いた電解メッキまたは無電解メッキ法によって形成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。

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