JP2014120774A - 高効率発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】高効率発光ダイオードを提供する。
【解決手段】発光ダイオードは、ｐ型化合物半導体層２９、活性層２７及びｎ型化合物半導体層２５を含む半導体積層構造体３０と、半導体積層構造体３０の上に位置する第１の電極と、第１の電極と半導体積層構造体３０との間に少なくとも部分的に位置するグラフェン―メタ物質積層構造５０とを含む。メタ物質を採用することによって、第１の電極による光損失を防止し、発光ダイオードの光効率を増加させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、より詳細には、メタ物質を用いて電極による光損失を防止できる窒化ガリウム系の高効率発光ダイオードに関する。

一般に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのIII族元素の窒化物は熱的安定性に優れ、直接遷移型のエネルギーバンド構造を有するので、近年、可視光線及び紫外線領域の発光素子用物質として多くの脚光を浴びている。特に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を用いた青色及び緑色発光素子は、大規模な天然色の平板表示装置、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム及び光通信などの多様な応用分野に活用されている。

このようなIII族元素の窒化物半導体層は、それを成長させ得る同種の基板を製作することが難いので、類似する結晶構造を有する異種基板で金属有機化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線蒸着法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）などの工程によって成長させる。異種基板としては、六方晶系の構造を有するサファイア基板が主に使用される。しかし、サファイアは、電気的に不導体であるので、発光ダイオード構造を制限する。これによって、最近は、サファイアなどの異種基板の上に窒化物半導体層などの各エピ層を成長させ、各エピ層に支持基板をボンディングした後、レーザーリフトオフ技術などを用いて異種基板を分離し、垂直型構造の高効率発光ダイオードを製造する技術が開発されている。

このような垂直型構造の発光ダイオードは、メタル基板を支持基板として使用するので、垂直方向への電流分散機能に優れる。また、成長基板が分離された後で露出したＮ面窒化ガリウム層は、ＰＥＣなどのエッチングを通して表面に粗面を形成しやすいので、光抽出効率に優れる。

しかし、従来の垂直型発光ダイオードは、光放出面にＮ電極を配置するので、Ｎ電極によって光が損失される。光放出面を増加させるためにはＮ電極の面積を減少させなければならないが、接着力や電流分散の必要性によってＮ電極の面積減少は制限される。

このような問題を解決するために、Ｎ電極の下部に反射金属層を配置し、Ｎ電極に入射する光を反射させる技術が適用されることもある。しかし、反射された光は、再び各エピ層内に進入した後で放出されるので、各エピ層内の相当な量の光が損失される。

本発明が解決しようとする課題は、電極物質による光吸収によって光が損失されることを防止できる発光ダイオードを提供することにある。

本発明が解決しようとする他の課題は、電極に入射する光をエピ層の内部に再び反射させる必要なく外部に放出できる発光ダイオードを提供することにある。

本発明の各実施例に係る発光ダイオードは、ｐ型化合物半導体層、活性層及びｎ型化合物半導体層を含む半導体積層構造体と、半導体積層構造体の上に位置する第１の電極と、第１の電極と半導体積層構造体との間に少なくとも部分的に位置するグラフェン―メタ物質積層構造とを含む。

グラフェン―メタ物質積層構造は、その屈折率特性によって光をグラフェン―メタ物質の表面に沿って進行させることによって、半導体積層構造体においてグラフェン―メタ物質積層構造に入射した光を外部に放出する。したがって、第１の電極の光吸収を防止又は減少させることができ、光効率を増加させることができる。

グラフェン―メタ物質積層構造は、その上に位置する第１の電極の幅より大きな幅を有してもよい。これによって、グラフェン―メタ物質積層構造の表面に沿って進行した光が第１の電極に吸収されることをさらに減少させることができる。

いくつかの実施例において、グラフェン―メタ物質は、第１の電極の側面に延長して第１の電極の側面を覆うものでもよい。さらに、グラフェン―メタ物質は第１の電極を取り囲むものでもよい。

一方、第１の電極は、電極パッドと、電極パッドから延長した延長部とを含んでもよい。このとき、グラフェン―メタ物質は、延長部と半導体積層構造体との間に部分的に位置してもよい。

グラフェン―メタ物質は、ｎ型化合物半導体層の上に位置してもよく、ｎ型化合物半導体層はｎ型窒化ガリウム層であってもよい。

また、メタ物質はＡｕ又は誘電物質で形成されてもよい。例えば、メタ物質は、Ａｕを蜂の巣状に形成したものであってもよい。

メタ物質は、活性層から放出される光の波長より小さなサイズのパターンに形成される。したがって、メタ物質は、光バンドギャップを有する光結晶構造と区別される。さらに、グラフェン―メタ物質積層構造の厚さは１ｎｍ以下であってもよい。

上記では、グラフェン―メタ物質積層構造が半導体積層構造体と第１の電極との間に位置する場合について説明したが、グラフェンを他の物質に置換したり、又はグラフェンを省略したりしてもよい。

本発明の各実施例によると、負の屈折率を有するメタ物質を電極と半導体積層構造体との間に配置することによって、半導体積層構造体から電極に入射する光を外部に放出することができる。したがって、光が電極に吸収されて損失されることを防止することができ、また、半導体積層構造体のなかで再び光を反射させる必要がないので、光効率を改善することができる。

グラフェン―メタ物質構造の光透過特性を説明するための概略図である。 本発明の一実施例に係る発光ダイオードを説明するための斜視図である。 本発明の一実施例に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。 本発明の他の実施例に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。

以下、添付の各図面を参照して本発明の各実施例を詳細に説明する。次に紹介する各実施例は、当業者に本発明の思想を十分に説明するために例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下で説明する各実施例に限定されず、他の形態で具体化されてもよい。そして、各図面において、同一の参照符号は同一の構成要素を示し、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、説明の便宜のために誇張して表現されることがある。

図１は、グラフェン―メタ物質構造５０の光透過特性を説明するための概略図である。

メタ物質５３は、負の屈折率を有する物質であって、人工的に製造されたものである。このようなメタ物質５３は、それに入射する光Ｌが表面に沿って進行した後、反対側から外部に放出されるようにする。

メタ物質５３は、Ａｕや誘電物質を光の波長より小さなパターンに形成することによって人工的に製造される。例えば、メタ物質５３は、Ａｕを蜂の巣状に形成して製造されてもよい。

特に、グラフェン５１の上にメタ物質５３を積層することによってグラフェン―メタ物質積層構造５０が形成され、グラフェン―メタ物質積層構造は、可視光線領域の光に対する透過特性が良好である。グラフェン―メタ物質積層構造５０は、約１ｎｍ以下の厚さに形成されてもよい。

図２及び図３は、本発明の一実施例に係る発光ダイオードを説明するための断面図及び斜視図である。

図２及び図３を参照すると、発光ダイオードは、支持基板２１、ボンディング金属２３、反射金属層３１、障壁金属層３３、半導体積層構造体３０、第１の電極６０、及びグラフェン―メタ物質積層構造５０を含む。

支持基板２１は、各化合物半導体層を成長させるための成長基板とは区別され、既に成長させた各化合物半導体層に付着する２次基板である。支持基板２１はサファイア基板であってもよいが、これに限定されることはなく、他の種類の絶縁又は導電基板であってもよい。特に、支持基板２１は金属基板であり、支持基板２を第２の電極として使用してもよい。

一方、ボンディング金属２３は、支持基板２１と障壁金属層３３との間に位置し、半導体積層構造体３０と支持基板２１とを結合する。ボンディング金属２３は、例えば、Ａｕ―Ｓｎで共晶ボンディングを用いて形成されてもよい。

半導体積層構造体３０は、支持基板２１の上に位置し、ｐ型化合物半導体層２９、活性層２７及びｎ型化合物半導体層２５を含む。ここで、半導体積層構造体３０は、一般的な垂直型発光ダイオードと同様に、ｐ型化合物半導体層２９がｎ型化合物半導体層２５に比べて支持基板２１側の近くに位置する。

ｎ型化合物半導体層２５、活性層２７及びｐ型化合物半導体層２９は、III―Ｎ系の化合物半導体、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体で形成されてもよい。ｎ型化合物半導体層２５及びｐ型化合物半導体層２９は、それぞれ単一層又は多重層であってもよい。例えば、ｎ型化合物半導体層２５及び／又はｐ型化合物半導体層２９は、コンタクト層及びクラッド層を含んでもよく、また、超格子層を含んでもよい。また、活性層２７は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造であってもよい。抵抗が相対的に小さいｎ型化合物半導体層２５が支持基板２１の反対側に位置することによって、ｎ型化合物半導体層２５の上面に粗面Ｒを容易に形成することができ、粗面Ｒは、活性層２７で生成された光の抽出効率を向上させる。

反射金属層３１及び障壁金属層３３は、ｐ型化合物半導体層２９と支持基板２１との間に位置し、ｐ型化合物半導体層２９にオーミック接触する。反射金属層３１が半導体積層構造体３０と支持基板２１との間に埋め込まれるように、障壁金属層３３が反射金属層３１を取り囲んでもよい。反射金属層３１は、例えば、Ａｇなどの反射金属で形成されてもよく、障壁金属層３３は、例えば、Ｎｉを含んでもよい。

一方、第１の電極６０は、半導体積層構造体３０の上に位置し、ｎ型化合物半導体層２５に電気的に接続する。第１の電極６０は、電極パッド６１と、電極パッド６１から延長する延長部６３とを含んでもよい。電極パッド６１は、ワイヤをボンディングするために形成され、延長部６３は、電流を広い領域にわたって均一に分散させるために形成される。第１の電極６０は、多様な形状に形成されてもよく、図２は、その一例を示したものである。

グラフェン―メタ物質積層構造５０は、第１の電極６０と半導体積層構造体３０との間に位置する。グラフェン―メタ物質積層構造５０は、図１を参照して説明したように、グラフェン５１とメタ物質５３の積層構造を有する。グラフェン―メタ物質積層構造５０は、ｎ型化合物半導体層２５にオーミック接触してもよい。図示していないが、必要であれば、グラフェン―メタ物質積層構造５０と半導体積層構造体との間にオーミック接触のための透明電極層を配置してもよい。

グラフェン―メタ物質積層構造５０は、図２に示したように、延長部６３と半導体積層構造体３０との間に部分的に配置しても良い。したがって、延長部６３を半導体積層構造体３０に電気的に直接接続させてもよい。これと異なり、グラフェン―メタ物質積層構造５０を延長部６３と半導体積層構造体との間の全領域に配置してもよい。さらに、グラフェン―メタ物質積層構造５０は、電極パッド６１と半導体積層構造体３０との間に配置してもよい。

グラフェン―メタ物質５０は、その上に位置する電極６０部分に比べて相対的に広い幅を有してもよい。これによって、グラフェン―メタ物質５０の表面に沿って進行する光が反対側で第１の電極６０に吸収されて損失されることを減少させることができる。

本実施例によると、第１の電極６０に向かって進行する光がグラフェン―メタ物質積層構造５０の表面に沿って進行して外部に放出される。これによって、第１の電極６０によって光が吸収されて損失されることを防止することができ、さらに、光を半導体積層構造体３０のなかで再び反射させず外部に放出することができる。

図４は、本発明の他の実施例に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。

図４を参照すると、本実施例に係る発光ダイオードは、図２及び図３を参照して説明した発光ダイオードとほぼ類似するが、グラフェン―メタ物質積層構造７０が第１の電極６０を取り囲む点において差がある。

すなわち、グラフェン―メタ物質積層構造７０が第１の電極６０を取り囲んでいる。グラフェン―メタ物質積層構造７０は、図２に示した積層構造５０と同様に、延長部６３を部分的に取り囲んでもよく、電極６０全体を取り囲んでもよい。

グラフェン―メタ物質積層構造７０は、第１の電極６０と半導体積層構造体３０との間に位置する部分と、第１の電極６０の側面を覆う部分と、第１の電極６０の上面を覆う部分とを含み、これらの各部分は、互いに異なる工程によって形成されてもよい。例えば、図３のようなグラフェン―メタ物質積層構造５０を半導体積層構造体３０の上に形成し、その上に第１の電極６０を形成し、第１の電極６０の側面及び上面を覆うグラフェン―メタ物質積層構造を形成することによって、第１の電極６０を取り囲むグラフェン―メタ物質積層構造７０を形成してもよい。

本実施例によると、グラフェン―メタ物質積層構造７０が第１の電極６０を取り囲むので、グラフェン―メタ物質積層構造７０の表面に沿って進行する光が第１の電極６０に吸収されることを防止し、光効率をさらに増加させることができる。

本実施例においては、グラフェン―メタ物質積層構造７０が第１の電極６０を取り囲む場合を説明したが、第１の電極６０の上部面を露出させてもよい。すなわち、グラフェンメタ物質積層構造７０は、第１の電極６０の下面側から延長して側面のみを覆ってもよい。

以上では、垂直型構造の発光ダイオードを例に挙げて説明したが、本発明は、垂直型構造の発光ダイオードに限定されるものではなく、光放出面側に電極を有する他の構造の発光ダイオードに適用されてもよい。

また、本実施例においては、グラフェン―メタ物質積層構造５０及び７０が、電極６０と半導体積層構造体３０との間に位置する場合を説明したが、グラフェン５１が省略されてもよく、グラフェン５１の代わりに他の物質をメタ物質５３と共に使用してもよい。

２１：支持基板、２３：ボンディング金属、３１：反射金属層、３３：障壁金属層、３０：半導体積層構造体、５０、７０：グラフェン―メタ物質積層構造、６０：第１の電極

Claims (12)

1. ｐ型化合物半導体層、活性層及びｎ型化合物半導体層を含む半導体積層構造体と、
   前記半導体積層構造体の上に位置する第１の電極と、
   前記第１の電極と前記半導体積層構造体との間に少なくとも部分的に位置するグラフェン―メタ物質積層構造とを含むことを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記グラフェン―メタ物質積層構造は、その上に位置する第１の電極の幅より大きな幅を有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。
3. 前記グラフェン―メタ物質は、前記第１の電極の側面に延長して前記第１の電極の側面を覆うことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 前記グラフェン―メタ物質は前記第１の電極を取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
5. 前記第１の電極は、電極パッドと、前記電極パッドから延長した延長部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
6. 前記グラフェン―メタ物質は、前記延長部と前記半導体積層構造体との間に部分的に位置することを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
7. 前記グラフェン―メタ物質はｎ型化合物半導体層の上に位置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。
8. 前記ｎ型化合物半導体層はｎ型窒化ガリウム層であることを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
9. 前記メタ物質はＡｕ又は誘電物質で形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
10. 前記メタ物質は、前記活性層から放出される光の波長より小さなサイズのパターンに形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
11. 前記グラフェン―メタ物質積層構造の厚さは１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード。
12. ｐ型化合物半導体層、活性層及びｎ型化合物半導体層を含む半導体積層構造体と、
    前記半導体積層構造体の上に位置する第１の電極と、
    前記第１の電極と前記半導体積層構造体との間に少なくとも部分的に位置するメタ物質とを含むことを特徴とする発光ダイオード。

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