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発明の名称 垂直構造の窒化ガリウム系LED素子及びその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−158334(P2007−158334A)
公開日 平成19年6月21日(2007.6.21)
出願番号 特願2006−323308(P2006−323308)
出願日 平成18年11月30日(2006.11.30)
代理人 【識別番号】100104156
【弁理士】
【氏名又は名称】龍華 明裕
発明者 ドゥー ゴ バイク / バン ウォン オー / ソク ボム チェ / ス ヨル リー
要約 課題
n型電極とコンタクトされるn型GaN層が損傷されるのを防止して、n型電極のコンタクト抵抗を安定に確保できる垂直構造の窒化ガリウム系LED素子及びその製造方法を提供する。

解決手段
構造支持層207と、前記構造支持層上に形成されたp型電極206と、前記p型電極上に形成されたp型GaN層205と、前記p型GaN層上に形成された活性層204と、前記活性層上に形成されたn型電極コンタクト用n型GaN層203と、前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に、前記n型電極コンタクト用n型GaN層の一部を露出させるように形成されたエッチング停止層300と、前記エッチング停止層により露出された前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に形成されたn型透明電極208と、n型反射電極209と、n型電極210を備える。
特許請求の範囲
【請求項1】
構造支持層と、
前記構造支持層上に形成されたp型電極と、
前記p型電極上に形成されたp型GaN層と、
前記p型GaN層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたn型電極コンタクト用n型GaN層と、
前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に、前記n型電極コンタクト用n型GaN層の一部を露出させるように形成されたエッチング停止層と、
前記エッチング停止層により露出された前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に形成されたn型電極と、を備える垂直構造の窒化ガリウム系LED素子。
【請求項2】
前記エッチング停止層が、前記n型電極コンタクト用n型GaN層のエッチング比と互いに異なるエッチング比を有する物質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LED素子。
【請求項3】
前記エッチング停止層が、III−V,III−VI及びIII−VII族系の半導体化合物で構成された群の中から選択される少なくとも1つからなることを特徴とする請求項2に記載の垂直構造の窒化ガリウム系LED素子。
【請求項4】
前記エッチング停止層の表面が、凹凸状を有す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LED素子。
【請求項5】
前記エッチング停止層を備える前記n型電極コンタクト用n型GaN層と前記n型電極との間に順に形成されたn型透明電極及びn型反射電極をさらに備え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LED素子。
【請求項6】
サファイア基板上にアンドープのGaN層、低ドープのn型GaN層、エッチング停止層、n型電極コンタクト用n型GaN層、活性層及びp型GaN層を順に形成するステップと、
前記p型GaN層上にp型電極を形成するステップと、
前記p型電極上に構造支持層を形成するステップと、
前記サファイア基板をLLO工程により除去するステップと、
前記サファイア基板が除去された前記アンドープのGaN層及び低ドープのn型GaN層をエッチングするステップと、
前記エッチング停止層を選択的にエッチングし、前記n型電極コンタクト用n型GaN層の少なくとも一部を露出させるステップと、
前記露出されたn型電極コンタクト用n型GaN層上にn型電極を形成するステップと、を含む垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法。
【請求項7】
前記低ドープのn型GaN層が、10−18E以下のドープ濃度を有す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LED素子の製造方法。
【請求項8】
前記エッチング停止層が、前記低ドープのn型GaN層及び前記n型電極コンタクト用n型GaN層のエッチング比と互いに異なるエッチング比を有する物質から形成され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LED素子の製造方法。
【請求項9】
前記エッチング停止層が、III−V,III−VI及びIII−VII族系の半導体化合物で構成された群の中から選択される少なくとも1つを利用して形成されることを特徴とする請求項8に記載の垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法。
【請求項10】
前記エッチング停止層を選択的にエッチングし、前記n型電極コンタクト用n型GaN層の一部を露出させた後に、
前記エッチング後に残留されたエッチング停止層の表面を凹凸状に形成するステップをさらに含む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LED素子の製造方法。
【請求項11】
前記n型電極を形成する前に、
前記エッチング停止層を備える前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に、n型透明電極及びn型反射電極を順に形成するステップをさらに含む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LED素子の製造方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、垂直構造(垂直電極型)の窒化ガリウム系LED素子及びその製造方法に関し、特に、n型電極とコンタクトされるn型GaN層が損傷されるのを防止することによって、n型電極のコンタクト抵抗を安定に確保し、動作電圧を減少させ、発光効率を上げることのできる垂直構造の窒化ガリウム系LED素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、窒化ガリウム系発光ダイオード(Light Emitting Diode:以下、LEDという)素子は、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素子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素子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素子の熱放出問題を解決することが重要である。
【0003】
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)技術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。
【0004】
以下に、図1A〜図1D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。
【0005】
図1A〜図1Dは、従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【0006】
まず、図1Aに示すように、サファイア基板100上にアンドープ(un−doped)のGaN層101及び低ドープのn型GaN層102を順に結晶成長させ、続いて、前記低ドープのn型GaN層102上に高ドープのn型GaN層、すなわちn型電極コンタクト用n型GaN層103、多重量子井戸型構造(Multi Quantum Well)であるGaN/InGaN活性層104、及びp型GaN層105を順次結晶成長させる。その後、前記p型GaN層105上にp型電極106を形成する。
【0007】
その後、前記p型電極106上にメッキシード(seed)層(図示せず)を形成し、前記メッキシード層上に、電解メッキまたは無電解メッキ法等により構造支持層107を形成する。ここで、前記メッキシード層は、前記構造支持層107を形成するためのメッキ工程の際に、メッキ結晶核の機能を果たし、前記構造支持層107は、最終的なLED素子の支持層及び電極としての機能を果たす。
【0008】
次に、図1Bに示すように、レーザーリフトオフ工程により、前記サファイア基板100を除去する。
【0009】
その後に、図1Cに示すように、前記サファイア基板100の除去工程により露出されたアンドープのGaN層101及び低ドープのn型GaN層102を除去し、前記n型電極コンタクト用n型GaN層103を露出させる。前記アンドープのGaN層101及び低ドープのn型GaN層102の除去工程は、高ドープのn型GaN層である前記n型電極コンタクト用n型GaN層103が後続して形成されるn型電極110とコンタクトをなすようにし、n型電極110のコンタクト抵抗を減少させ、動作電圧を減少させるために行うものであって、通常のエッチング工程により行われることができる。
【0010】
その後、図1Dに示すように、前記露出されたn型電極コンタクト用n型GaN層103上に、n型電極110を形成する。ここで、上記のように、前記n型電極コンタクト用n型GaN層103上に前記n型電極110を直接形成する前に、図示のように、電流拡散効果を増加させるためのn型透明電極108、及び光効率を向上させるためのn型反射電極109を順に形成することもできる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、上述のような従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法においては、次のような問題がある。図2は、従来の技術に係る問題を説明するための断面図である。
【0012】
従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法によれば、前記サファイア基板100が除去されて露出された前記アンドープのGaN層101及び低ドープのn型GaN層102のエッチング工程の際に、前記低ドープのn型GaN層102とその下部に存在するn型電極コンタクト用n型GaN層103とのエッチング度の差がほとんどないため、図2に示すように、前記n型電極コンタクト用n型GaN層103の表面が一部エッチングされて、n型電極コンタクト用n型GaN層103の全体的な厚さ及び表面状態が均一にならない。そして、このように、n型電極コンタクト用n型GaN層103の表面に損傷が生じた状態において、上記のn型透明電極108またはn型電極110が形成される場合、前記n型電極コンタクト用n型GaN層103とコンタクトされる電極のコンタクト抵抗及び動作電圧が増加し、発光効率が低下するという問題が生じる。
【0013】
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、n型電極コンタクト用n型GaN層の損傷を防止することによって、n型電極のコンタクト抵抗を安定に確保し、動作電圧を減少させ、発光効率を上げることのできる垂直構造の窒化ガリウム系LED素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記目的を達成すべく、本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子によれば、構造支持層と、前記構造支持層上に形成されたp型電極と、前記p型電極上に形成されたp型GaN層と、前記p型GaN層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたn型電極コンタクト用n型GaN層と、前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に、前記n型電極コンタクト用n型GaN層の一部を露出させるように形成されたエッチング停止層と、前記エッチング停止層により露出された前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に形成されたn型電極と、を備える。
【0015】
ここで、前記エッチング停止層が、前記n型電極コンタクト用n型GaN層のエッチング比と互いに異なるエッチング比を有する物質からなることを特徴とする。
【0016】
そして、前記エッチング停止層が、III−V,III−VI及びIII−VII族系の半導体化合物で構成された群の中から選択される少なくとも1つからなることを特徴とする。
【0017】
また、前記エッチング停止層の表面が、凹凸状を有することを特徴とする。
【0018】
また、前記エッチング停止層を備える前記n型電極コンタクト用n型GaN層と前記n型電極との間に順に形成されたn型透明電極及びn型反射電極をさらに備えることを特徴とする。
【0019】
そして、本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法によれば、サファイア基板上にアンドープのGaN層、低ドープのn型GaN層、エッチング停止層、n型電極コンタクト用n型GaN層、活性層及びp型GaN層を順に形成するステップと、前記p型GaN層上にp型電極を形成するステップと、前記p型電極上に構造支持層を形成するステップと、前記サファイア基板をLLO工程により除去するステップと、前記サファイア基板が除去された前記アンドープのGaN層及び低ドープのn型GaN層をエッチングするステップと、前記エッチング停止層を選択的にエッチングし、前記n型電極コンタクト用n型GaN層の少なくとも一部を露出させるステップと、前記露出されたn型電極コンタクト用n型GaN層上にn型電極を形成するステップと、を含む。
【0020】
ここで、前記低ドープのn型GaN層が、10−18E以下のドープ濃度を有することを特徴とする。
【0021】
そして、前記エッチング停止層が、前記低ドープのn型GaN層及び前記n型電極コンタクト用n型GaN層のエッチング比と互いに異なるエッチング比を有する物質から形成されることを特徴とする。
【0022】
また、前記エッチング停止層が、III−V,III−VI及びIII−VII族系の半導体化合物で構成された群の中から選択される少なくとも1つを利用して形成されることを特徴とする。
【0023】
また、前記エッチング停止層を選択的にエッチングし、前記n型電極コンタクト用n型GaN層の一部を露出させた後に、前記エッチング後に残留されたエッチング停止層の表面を凹凸状に形成するステップをさらに含むことを特徴とする。
【0024】
また、前記n型電極を形成する前に、前記エッチング停止層を備える前記n型電極コンタクト用n型GaN層上に、n型透明電極及びn型反射電極を順に形成するステップをさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0025】
本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子及びその製造方法によれば、低ドープのn型GaN層とn型電極コンタクト用n型GaN層との間に、これらと互いに異なるエッチング比を有するエッチング停止層をさらに形成することによって、前記低ドープのn型GaN層のエッチング工程時に、前記n型電極コンタクト用n型GaN層が損傷されるのを防止できる。したがって、前記n型電極コンタクト用n型GaN層とコンタクトされるn型電極のコンタクト抵抗を安定に確保することができ、動作電圧を減少させ得るという効果がある。
【0026】
また、前記エッチング停止層の表面に凹凸状を形成することによって、活性層から発光して前記エッチング停止層に到達する光を様々な角度に散乱させることで、LED素子の発光効率を増加させ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
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。
【0028】
垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の構造に関する実施の形態
【0029】
図3及び図4は、本発明の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。
【0030】
まず、図3に示すように、本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の最下部には、LED素子の支持層及び電極としての機能を果たす構造支持層207が形成されている。
【0031】
前記構造支持層207上には、メッキシード層(図示せず)及びp型電極206が順に形成されており、前記p型電極206上には、p型GaN層205及び多重量子井戸型構造であるGaN/InGaN活性層204が順に形成されている。ここで、前記p型電極206は、電極の機能及び反射機能を同時に行うように、反射率の高い金属からなることが好ましい。また、前記活性層204は光が発生する層であって、一般に、700〜900℃の範囲の温度において、1,000Å程度の厚さに成長する層である。
【0032】
前記活性層204上には、n型電極コンタクト用n型GaN層203が形成されており、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203上には、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203の一部を露出させるエッチング停止層300が形成されている。
【0033】
ここで、前記エッチング停止層300は、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203のエッチング比と互いに異なるエッチング比を有する物質からなり、例えば、III−V,III−VI及びIII−VII族系の半導体化合物で構成された群の中から選択される少なくとも1つからなることが好ましい。
【0034】
前記エッチング停止層300を備える前記n型電極コンタクト用n型GaN層203上には、電流拡散現象を向上させるためのn型透明電極208、及び光効率を向上させるためのn型反射電極209が順に形成されており、前記n型反射電極209上には、n型電極210が形成されている。ここで、前記n型透明電極208及びn型反射電極209は形成されていなくても良く、こういう場合には、前記エッチング停止層300により露出された前記n型電極コンタクト用n型GaN層203部分の上に、前記n型電極210が直接コンタクトされるように形成されることができる。
【0035】
一方、前記エッチング停止層300の表面は、図4に示すように、凹凸状を有することもでき、こういう場合、活性層204から発光し、前記エッチング停止層300に到達する光を様々な角度に散乱させて、LED素子の発光効率を増加させ得る。
【0036】
垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法に関する実施の形態
【0037】
以下には、上述のような本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法について説明する。
【0038】
図5A〜図5Eは、本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【0039】
図5Aに示すように、サファイア基板200上にアンドープのGaN層201及び低ドープのn型GaN層202を順に結晶成長させる。前記低ドープのn型GaN層202は、10−18E以下のドープ濃度を有することが好ましい。続いて、前記低ドープのn型GaN層202上にエッチング停止層300、高ドープのn型GaN層であるn型電極コンタクト用n型GaN層203、多重量子井戸型構造であるGaN/InGaN活性層204、及びp型GaN層205を順に形成する。ここで、前記エッチング停止層300は、前記低ドープのn型GaN層202及びn型電極コンタクト用n型GaN層203のエッチング比と互いに異なるエッチング比を有する物質から形成し、例えば、III−V,III−VI及びIII−VII族系の半導体化合物で構成された群の中から選択される少なくとも1つを利用して形成することが好ましい。
【0040】
その後、前記p型GaN層205上にp型電極206及びメッキシード層(図示せず)を順に形成し、前記メッキシード層上に、電解メッキまたは無電解メッキ法等により構造支持層207を形成する。前記メッキシード層は、上述のように、前記構造支持層207の形成のためのメッキ工程におけるメッキ結晶核の機能を行うものであり、前記構造支持層207は、最終的なLED素子の支持層及び電極としての機能を行うものである。
【0041】
一方、本実施の形態では、前記構造支持層207として、メッキシード層を結晶核として用いて形成したメッキ層を説明しているが、これに限定されず、前記構造支持層207は、上記のように、最終的なLED素子の支持層及び電極としての機能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ることができる。また、前記金属層は、熱蒸着(thermal evaporator)、電子線蒸着(e−beam evaporator)、スパッタ(sputter)、化学気相蒸着(CVD)などの方式により形成されたことが使用可能である。
【0042】
次に、図5Bに示すように、LLO工程により前記サファイア基板200を除去する。
【0043】
その後に、図5Cに示すように、前記サファイア基板200の除去工程により露出された前記アンドープのGaN層201及び低ドープのn型GaN層202をエッチングする。ここで、本発明の実施の形態によれば、前記低ドープのn型GaN層202の下部に、前記低ドープのn型GaN層202とエッチング比の異なる他のエッチング停止層300が存在することによって、前記アンドープのGaN層201及び低ドープのn型GaN層202のエッチング工程の際に、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203がエッチング損傷を受けることを防止できる。
【0044】
その後、図5Dに示すように、前記エッチング停止層300を選択的にエッチングし、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203の少なくとも一部を露出させる。
【0045】
すなわち、前記エッチング停止層300のエッチング工程は、図示のように、前記エッチング停止層300の一部のみをエッチングすることで、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203の一部を露出させ得るが、前記エッチング停止層300の全体をエッチングして前記n型電極コンタクト用n型GaN層203の全体を露出させることもできる。このとき、上記のように、前記エッチング停止層300の全体ではない一部のみをエッチングする場合、後続のn型電極210が形成される領域と対応するn型電極コンタクト用n型GaN層203部分を露出させる。
【0046】
ここで、前記エッチング停止層300は、上述のように、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203と互いに異なるエッチング比を有しているため、前記エッチング停止層300のエッチング工程の際、n型電極コンタクト用n型GaN層203に損傷を与えずに、エッチング停止層300のみを選択的に除去できる。
【0047】
一方、本実施の形態では、前記エッチング停止層300の一部エッチング工程後に、図4に示すように、エッチング後に残留するエッチング停止層300の表面を凹凸状に形成することもできる。このようにすれば、活性層204から発光して前記エッチング停止層300に到達する光を様々な角度に散乱させて、LED素子の発光効率を増加させることができる。
【0048】
次に、図5Eに示すように、前記エッチング停止層300を備える前記n型電極コンタクト用n型GaN層203上に、電流拡散効果を向上させるためのn型透明電極208、及び光効率を向上させるためのn型反射電極209を順に形成した後に、前記n型反射電極209上にn型電極210を形成する。
【0049】
ここで、前記n型透明電極208及びn型反射電極209の形成工程は省略でき、こういう場合には、前記エッチング後に残留したエッチング停止層300により露出された前記n型電極コンタクト用n型GaN層203の部分上に、前記n型電極210が直接コンタクトされるように形成できる。
【0050】
上述のように、本発明の実施の形態によれば、低ドープのn型GaN層202とn型電極コンタクト用n型GaN層203との間に、これらと互いに異なるエッチング比を有するエッチング停止層300をさらに形成することによって、前記低ドープのn型GaN層202のエッチング工程時に、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203が損傷または除去されるのを防止できる。
【0051】
したがって、前記n型電極コンタクト用n型GaN層203上に形成されるn型透明電極208またはn型電極210のコンタクト抵抗を安定に確保でき、動作電圧を減少させることができる。
【0052】
また、本発明の実施の形態では、前記エッチング停止層300の表面を凹凸状に形成することによって、前記活性層204から発光して前記エッチング停止層300に到達する光を様々な角度に散乱させて、LED素子の発光効率を増加させ得るという長所がある。
【0053】
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。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1A】従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図1B】従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図1C】従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図1D】従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図2】従来の技術に係る問題点を説明するための断面図である。
【図3】本発明の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。
【図4】本発明の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。
【図5A】本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図5B】本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図5C】本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図5D】本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図5E】本発明の実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系LED素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【符号の説明】
【0055】
200 サファイア基板
201 アンドープのGaN層
202 低ドープのn型GaN層
203 n型電極コンタクト用n型GaN層
204 活性層
205 p型GaN層
206 p型電極
207 構造支持層
208 n型透明電極
209 n型反射電極
210 n型電極
300 エッチング停止層




 

 


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