JP4758944B2 - 発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードの製造方法に関し、さらに詳しくは、傾いた側壁を備えることで発光効率を高めた発光ダイオードの製造方法に関する。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ： ＬＥＤ）は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが接合された構造を有する光電変換素子であって、順方向電圧を加えると、Ｐ型半導体とＮ型半導体との接合部分を通して電子と正孔が移動しながら再結合し、発光する。この際に放出される光の色相は、半導体のバンドギャップエネルギによって決まり、半導体材料の選択によって所望の色相の光を放出する発光ダイオードを製造することができる。

このような発光ダイオードは、多様な発光色相で多様な色相の具現が可能であり、各種の電子製品類と計器板、電光板などに表示素子及びバックライトとして広く利用されている。

また、発光ダイオードは、従来の白熱電球または蛍光灯のような照明器具に比べて電力の消費が少なく寿命が長いことから、従来の照明器具に代わって一般照明の用途として、その使用領域が広がっている。但し、発光ダイオードを一般照明の用途として使用するためには、発光ダイオードの発光効率を高めることが非常に重要であり、このために、いろいろな技術が開発されてきている。

図１は、従来の発光ダイオードの概略的な縦断面図である。

図１を参照すると、発光ダイオード１は、基板１１上に形成される半導体層１６を有する。半導体層１６は、Ｎ型半導体層１５、活性層１７及びＰ型半導体層１９が順次に基板１１上積層形成されてなる。また、一般的に、基板１１とＮ型半導体層１５との間の格子不整合を緩和するために、バッファ層１３が形成され、Ｐ型半導体層１９上に金属層２１がさらに形成される。

そして、Ｎ型半導体層１５上に形成された金属層２１、Ｐ型半導体層１９、活性層１７を順にエッチングして、Ｎ型半導体層１５の上部面を露出させ、発光ダイオード１に金属配線を形成するために、Ｐ型半導体層１９の上部金属層２１上にパッド２３を形成し、露出したＮ型半導体層１５上にもパッド２５を形成する。

このように形成された従来の発光ダイオード１は、半導体層１６の側壁が基板の上部面と垂直に形成され、活性層１７から上側へ発光した光は、金属層２１を通して発光ダイオードの上部面に放射される。

一方、活性層１７から半導体層１６の側壁に向けて発光された光は、上記のように垂直に形成された側壁に到逹すると、その入射角が大きくなり、半導体層１６と空気との屈折率の差によって空気中に容易に放射できずに、半導体層１６の内部に全反射され、発光効率が低下するという問題点がある。

そこで、本発明は上記従来の発光ダイオードにおける問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、側面発光効率が高い発光ダイオードの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明による発光ダイオードの製造方法は、基板を用意する段階と、前記基板上に、下部半導体層、活性層及び上部半導体層を順次形成する段階と、前記上部半導体層上に、その側壁が前記基板の上部面に対して傾斜するように、フォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして使用し、前記上部半導体層、活性層及び下部半導体層を順次にエッチングする段階とを有することを特徴とする。

ここで、前記フォトレジストパターンを形成する段階は、発光領域を規定するフォトレジストパターンを形成し、前記フォトレジストパターンの側壁が、前記基板の上部面に対して傾斜するように、前記フォトレジストパターンにリフロー工程を実施することが好ましい。
前記フォトレジストパターンへのリフロー工程は、前記フォトレジストパターンの側壁が、前記基板の上部面に対して１０〜８０度の範囲内の傾斜角を有するように行われることが好ましい。

これによって、本発明の発光素子は、活性層から発光された光が、より容易に半導体層の側面から空気中に放射されて、高い発光効率を有することになる。

また、前記フォトレジストパターンを形成する前に、前記上部半導体層の上面の一部に、発光領域を規定するエッチング停止パターンを形成する段階をさらに有することが好ましい。
前記エッチング停止パターンは、金属で形成されることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオードの製造方法によれば、発光ダイオードは、傾いた側壁を有する半導体層が基板上に形成されることによって、活性層から発光された光が、より容易に半導体層の側面から空気中に放射されて、高い発光効率を有するという効果がある。

次に、本発明に係る発光ダイオードの製造方法を実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

以下の実施形態は、本発明の思想を当業者に十分理解させるための例であり、本発明を限定するものではない。よって、下記の実施形態は、他の形態で具体化することができ、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために、誇張して表すこともできる。また、明細書と図面の全般にかけて、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。

図２は、本発明の望ましい実施形態によって製造される発光ダイオードの断面図である。

図２を参照すると、本実施形態の発光ダイオード１００は、基板１０１上に半導体層１０６が配置される。基板１０１は、絶縁性または導電性基板、例えばサファイアまたは炭化シリコン（ＳｉＣ）基板であっても良い。また、基板１０１は、その上部面及び／又は下部面がパターニングされた基板であっても良い。

半導体層１０６は、下部半導体層１０５、下部半導体層１０５の一領域上に位置する上部半導体層１０９、及び下部半導体層１０５と上部半導体層１０９との間に介在する活性層１０７を含む。ここで、下部半導体層１０５及び上部半導体層１０９はそれぞれ、ｎ型及びｐ型、またはｐ型及びｎ型である。

下部半導体層１０５、活性層１０７及び上部半導体層１０９はそれぞれ、窒化ガリウム系列の半導体物質、即ち（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎで形成されることができる。活性層１０７は、要求される波長の光、例えば、紫外線または青色光を放射するよう組成元素及び組成比が決められ、下部半導体層１０５及び上部半導体層１０９は、活性層１０７に比べてバンドギャップエネルギが大きい物質で形成される。

前記下部半導体層１０５及び／または上部半導体層１０９は、図に示すように、単一層に形成されても良く、多層構造に形成されても良い。また、活性層１０７は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有することができる。

一方、半導体層１０６と基板１０１との間に、バッファ層１０３を介在させることができる。バッファ層１０３は、基板１０１と、その上に形成される下部半導体層１０５との格子不整合を緩和するために採択される。

半導体層１０６の側壁は、基板１０１の上部面に対して傾斜して形成され、上に行くほど幅が狭くなる。側壁の傾斜は、活性層１０７から発生した光の放射効率を向上させる。本実施形態において、半導体層１０６の下部半導体層１０５の側壁が基板１０１の上部面となす傾斜角は、１０〜８０度の角度の範囲内である。

一方、下部半導体層１０５に、電極パッド１１９が形成されるうる。電極パッド１１９は、下部半導体層１０５とオーミックコンタクト（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）される。そして、配線（図示せず）が、電極パッド１１９に接合され、下部半導体層１０５に電気的に接続される。

また、透明電極層１１５が、上部半導体層１０９に形成されうる。透明電極層１１５は、活性層１０７から発生した光を透過させ、上部半導体層１０９に配分方法により電流を供給する。一方、透明電極層１１５上に、電極パッド１１７がさらに形成することができ、ワイヤ（図示せず）が、電極パッド１１７にボンディングされる。

図３〜図５は、本発明の望ましい実施形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図であり、図６は、本発明の望ましい実施形態による発光ダイオードの製造方法を説明するためのフロー図である。

図６を参照すると、まず、実施形態による発光ダイオード１００を製造するために、基板１０１を用意する（ステップＳ２０１）。基板１０１は、例えばサファイア基板または炭化シリコン基板であっても良い。

続いて、基板１０１上に、半導体層を形成する（ステップＳ２０３）。図３を参照すると、基板１０１上に、下部半導体層１０５、活性層１０７及び上部半導体層１０９が順次に形成される。また、下部半導体層１０５を形成する前に、基板１０１上に、バッファ層１０３を形成することができる。

前記基板１０１は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、リチウム−アルミナ（ＬｉＡｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）基板であっても良いが、これに限定されるのではなく、基板１０１上に形成される半導体層の物質によって多様に選択することができる。

バッファ層１０３は、基板１０１と、その上に形成される半導体層１０５との格子不整合を緩和するために形成され、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成することができる。基板１０１が、導電性基板である場合、バッファ層１０３は、絶縁層または半絶縁層で形成することが望ましく、ＡｌＮ、または半絶縁ＧａＮで形成することができる。

下部半導体層１０５、活性層１０７及び上部半導体層１０９はそれぞれ、窒化ガリウム系列の半導体物質、即ち（Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎで形成することができる。下部半導体層１０５、上部半導体層１０９及び活性層１０７は、金属有機化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｃｙ）または水素化物気相成長（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｃｙ；ＨＶＰＥ）技術などにより、断続的または連続的に成長させることができる。

ここで、下部半導体層１０５及び上部半導体層１０９はそれぞれ、ｎ型及びｐ型、またはｐ型及びｎ型である。窒化ガリウム系列の化合物半導体層において、ｎ型半導体層は、不純物として、例えばシリコン（Ｓｉ）をドーピングして形成することができ、ｐ型半導体層は、不純物として、例えばマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして形成することができる。

上部半導体層１０９上に、発光領域を規定するフォトレジストパターン１１３を形成する（ステップＳ２０７）。フォトレジストパターン１１３は、発光領域の上部面を覆うように形成される。一方、その側壁が基板１０１の上部面に対して傾くように、フォトレジストパターン１１３に対し、リフロー（ｒｅｆｌｏｗ）工程がなされる。これによって、フォトレジストパターン１１３の側壁が、基板１０１の上部面に対して、１０〜８０度の角度の範囲内の傾斜角を有するように形成される。

一方、フォトレジストパターン１１３を形成する前に、発光領域を規定するエッチング停止パターン１１１を形成することができる（ステップＳ２０５）。エッチング停止パターン１１１は、下部半導体層１０５、活性層１０７、上部半導体層１０９をエッチングするエッチャントとして、低いエッチング選択特性を有する物質で形成することが望ましく、例えば、金属物質で形成することができる。

続いて、フォトレジストパターン１１３をエッチングマスクとして使用し、上部半導体層１０９、活性層１０７及び下部半導体層１０５を順次にエッチングする（ステップＳ２０９）。これによって、フォトレジストパターン１１３の形状が、上部半導体層１０９、活性層１０７、下部半導体層１０５に転写され、図４に示すように、その側壁が傾いた半導体層１０６が形成される。エッチング工程によって、バッファ層１０３が露出し、露出したバッファー層１０３は、オーバーエッチングによって除去される。

図５を参照すると、フォトレジストパターン１１３及びエッチング停止パターン１１１を除去し、上部半導体層１０９及び活性層１０７をさらにパターニングし、エッチングされた下部半導体層１０５を露出させる（ステップＳ２１１）。この時、露出した下部半導体層１０５は、オーバーエッチングによって、部分的にエッチングされる。その結果、基板１０１上に傾いた側壁を有する半導体層１０６が形成される。
半導体層１０６は、下部半導体層１０５、下部半導体層１０５の一領域の上部に位置する上部半導体層１０９、及び下部半導体層１０５と上部半導体層１０９との間に介在する活性層１０７を含み、下部半導体層１０５の他の領域は露出する。また、半導体層１０６の側壁の殆どは、基板１０１の上部面に対して傾斜して形成される。一方、下部半導体層１０５の他の領域と隣接した上部半導体層１０９の側壁は、図に示すように、垂直に形成しても良いが、傾斜して形成しても良い。

図５を参照すると、次に金属配線を形成する（ステップＳ２１３）。
半導体層１０６の上部半導体層１０９上に、透明電極層１１５を形成することができる。透明電極層１１５は、インジウムスズ酸化膜（ＩＴＯ）またはＮｉ／Ａｕのような透明金属で形成される。また、下部半導体層１０５上に、電極パッド１１９を形成することができる。電極パッド１１９は、下部半導体層１０５とオーミックコンタクトされる。

透明電極層１１５は、フォトレジストパターン１１３を形成する前に、上部半導体層１０９上に形成することもできる。この時、透明電極層１１５は、上部半導体層と共にパターニングされる。

一方、透明電極層１１５上に、電極パッド１１７がさらに形成することができ、ワイヤが、電極パッド１１７、１１９にボンディングされる。

尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

一般の発光ダイオードを説明するための断面図である。 本発明の望ましい実施形態によって製造される発光ダイオードの断面図である。 本発明の望ましい実施形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の望ましい実施形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の望ましい実施形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の望ましい実施形態による発光ダイオードの製造方法を説明するためのフロー図である。

符号の説明

１００ 発光ダイオード
１０１ 基板
１０３ バッファ層
１０５ 下部半導体層
１０６ 半導体層
１０７ 活性層
１０９ 上部半導体層
１１１ エッチング停止パターン
１１３ フォトレジストパターン
１１５ 透明電極層
１１７、１１９ 電極パッド

Claims (4)

1. 基板を用意する段階と、
   前記基板上に、下部半導体層、活性層及び上部半導体層を順次形成する段階と、
   前記上部半導体層の上面の一部に、発光領域を規定するエッチング停止パターンを形成する段階と、
   前記上部半導体層および前記エッチング停止パターン上に、前記上部半導体層の側壁が前記基板の上部面に対して傾斜するように、フォトレジストパターンを形成する段階と、
   前記フォトレジストパターンおよび前記エッチング停止パターンをエッチングマスクとして使用し、前記上部半導体層、活性層及び下部半導体層を順次にエッチングする段階とを有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
2. 前記フォトレジストパターンを形成する段階は、前記発光領域を規定する前記フォトレジストパターンを形成し、前記フォトレジストパターンの側壁が、前記基板の上部面に対して傾斜するように、前記フォトレジストパターンにリフロー工程を実施することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
3. 前記フォトレジストパターンへのリフロー工程は、前記フォトレジストパターンの側壁
   が、前記基板の上部面に対して１０〜８０度の範囲内の傾斜角を有するように行われることを特徴とする請求項２ に記載の発光ダイオードの製造方法。
4. 前記エッチング停止パターンは、金属で形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の発光ダイオードの製造方法。

Images