JP2000228537A - InXAlYGaZN発光素子及びその製造方法 - Google Patents
InXAlYGaZN発光素子及びその製造方法Info
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Abstract
純な方法で基板の除去を行う。 【解決手段】InAlGaN発光素子(20)は、サフ
ァイア等の除去できる成長基板(30)上に成長され
る。反射性のオーム接触部(18)はそのp型InAl
GaN層(20a)上に形成される。その後InAlG
aN構造体を、InAlGaN発光層(20)とホスト
基板(12)との間に挟まるボンディング層(16)の
手段によりホスト基板(20)へとボンディングする。
ボンディング層は、InAlGaN素子層側に設けられ
る第1のボンディング層(16a)と、ホスト基板(1
2)側に設けられる第2のボンディング層(16b)と
を含む。ボンディングの後、サファイア成長基板(3
0)は、基板除去技術を使って除去され、その後それら
のInAlGaN層がパターニング及びエッチングされ
て電流注入型発光素子が完成する。
Description
発光素子の分野に関し、より具体的には高効率でコスト
効率の良いInAlGaN装置及びその製造方法に関す
る。
は、そのエピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲
気中における安定性の為、高効率のInAlGaN発光
素子を成長させる為の基板として望ましいものであるこ
とは実証されている。しかしながら、サファイアは熱伝
導率が悪い絶縁体であり、これにより素子は通常とは異
なる非効率的なデザインとなってしまう。サファイア上
に成長させた代表的なLED構造は上面に2つの電気接
触部と、そのp型接触部上に電流を広げる為の半透明の
金属層とを有する。これは接触部を半導体装置の上面に
1つ、そして底面に1つ設けた、GaAs又はGaPの
ような導電体基板上に形成したLEDにおける通常の縦
型構造の電流の流れとは対照的である。サファイアLE
D上の上面の2つの接触部は装置の有効発光面積を狭め
てしまうのである。
の為にp型半導体層上に電流を拡散する半透明の金属層
を必要とする。サファイアの屈折率(約1.7)も、そ
の上に形成するInAlGaN層(屈折率は約2.2乃
至2.6)より低い。結果的に、この屈折率の不一致
(サファイアの方が低い)により、吸収性の半透明p型
側電流拡散メタライゼーション(金属層)とサファイア
との間に光の導波作用が生じる。この結果、市販のIn
AlGaN装置においては、生じた光の10乃至70%
が半透明金属層により吸収されてしまうことになる。
及びメタルボンディングの2つの基本的カテゴリーに分
類することが出来る。直接ボンディングにおいては、2
枚のウエハを融解し、ボンディング界面に加わる重量を
利用して接合する。直接ウエハボンディングは半導体、
酸化物及び誘電体材料のいずれの組み合わせであっても
実行可能である。これは通常は高温(>400℃)の一
軸圧力下で行われる。好適な直接ウエハボンディング技
術がKishi等による米国特許第5,502,316
号に記述されている。メタルボンディングにおいては、
金属層をボンディングする2枚の基板の間に形成して接
着する。この金属層は能動素子、基板又はその両方のい
ずれかに対するオーム接触として働くようにしても良
い。メタルボンディングの一例が、超小型・光電子産業
において素子を基板へと逆に接着する為に採用されてい
るフリップチップボンディングである。フリップチップ
ボンディングは素子の放熱性を改善する為に採用されて
いる為、基板の除去は素子の構造に依存し、また、メタ
ルボンディング層として従来から条件とされるのは、導
電性と機械的強度のみである。
されているか、ドーピングされていない、或はpn接合
を含んだ閉じ込め層に挟まれた発光層により形成される
活性領域から構成されるものと定義される。また、この
構造には発光層に対して垂直の方向にファブリ−ペロー
共振器を形成する反射ミラーが少なくとも1つ含まれ
る。GaN/InxAlyGazN/AlxGa1-xN(x
+y+z=0.5)材料系において垂直共振器型光電素
子構造を製作すると、他のIII−V族材料系とは異な
る問題が生じる。高い光学品質を持つInxAlyGaz
N構造を作ることが難しいのである。InxAlyGaz
N素子の主な問題は電流の広がりである。p型材料中に
おける縦の電流の広がりは、n型材料におけるそれより
も最高で30倍も小さい。更に、基板の低熱伝導率の為
に最適な放熱を行うには素子のp型側を下にして取り付
けなければならず、素子のデザインがより複雑になって
しまう。
垂直共振器型面発光レーザ又はVCSEL)は、反射率
が例えば99.5%といった高品質なミラーを必要とす
る。高品質ミラーを実現する為の一手法は、半導体成長
技術を利用したものである。VCSELに好適な分布反
射器(DBR:Distributed Bragg Reflector)に必要
とされる高い反射率(>99%)に到達するには、クラ
ックやドーパントの混入等、半導体InxAlyGazN
DBRを成長させる為の材料に関する深刻な問題があ
る。これらのミラーには、インジウム・アルミニウム・
ガリウム窒化物(InxAlyGazN/Inx ’Aly ’
Gaz ’N)構成体の交互の周期/層を数多く必要とす
る。誘電体DBR(D−DBR)は、半導体DBRとは
対照的にInxAlyGazN系によるスペクトル領域幅
において99%を越える反射率を持たせることが比較的
に容易に出来る。これらのミラーは代表的には蒸着又は
スパッタリング技術により形成されるが、分子線エピタ
キシー法(MBE)及び有機金属化学気相蒸着法(MO
CVD)を利用しても良い。しかしながら、ホスト基板
を除去しない限りはD−DBRの形成は活性領域の1面
のみにしか行うことが出来ない。もし、D−DBRをI
nxAlyGazN活性領域の両面にボンディング或は堆
積することがかなえば、垂直共振器型光電素子構造体の
作製はかなり容易になるであろう。
shold,wafer fused long wa
velength vertical cavity
lasers」(Applied Physics L
etters、Vol.64、No.12、1994、
pp1463−1465)には、AlAs/GaAs半
導体DBRを垂直共振器型構造の一面に直接ボンディン
グする方法が記述されている。一方で、AlAs/Ga
As間の大きな屈折率差を利用する為にInGaAsP
VCSELの両面に直接ウエハボンディングした半導
体DBRが、Babic等による「Room−Temp
erature Continuous−Wave O
peration of 1.430μm Verti
cal−Cavity Lasers」(IEEE P
hotonics Technology Lette
rs、Vol.7、No.11、1995年11月)に
示されている。以下にも説明するが、D−DBRのIn
xAlyGazNへのウエハボンディングは半導体−半導
体ウエハボンディングよりもかなり複雑であり、従来技
術においては知られていなかった。
ally−Bonded LongWavelengt
h Vertical Cavity Laser o
nGaAs Substrates Using St
rain−Compensated Multiple
Quantum Wells」(IEEE Phot
onics Technology Letters、
Vol.5、No.12、1994年12月)には、ス
ピンオングラス層の手段によりInGaAsPレーザに
接着したAlAs/GaAs半導体DBRが開示されて
いる。VCSELにおける活性層とDBRとのボンディ
ング用の材料としては、スピンオングラスは好適ではな
く、これはスピンオングラスの正確な厚さを制御するこ
とが困難である為にVCSEL共振器に必要とされる明
確な層制御が出来ないからである。加えて、スピンオン
グラスの特性が不均質である場合もあり、これにより空
洞中で散乱や他の損失が生じてしまう。
%)をAlxGa1-xN/GaNの半導体DBRミラーの
対に持たせるように光学ミラー成長を図ることは困難で
ある。反射率の理論上の計算では、必要とされる高屈折
率を得るには低屈折率のAl xGa1-xN層のAl組成比
を増大させること、及び/又はより多くの層周期を含ま
せることによってのみ得ることが出来る高い屈折率コン
トラストが必要であることが示唆されている(材料特性
はAmbacher等による「MRS Interne
t Journal of Nitride Semi
conductor Research」、2(22)
1997から得た)。これらの手法ではいずれも非常な
困難を生じることになる。電流がDBR層を通じて運ば
れる場合、DBRは導電性であることが必要である。充
分な導電率を持たせるには、Al xGa1-xN層は適切に
ドーピングされていなければならない。Si(n型)の
ドーピングの場合はAl組成比を50%未満にまで、そ
してMg(p型)のドーピングの場合は17%未満にま
で減じない限りは、ドーパントの混入は不十分なのであ
る。しかしながら、低Al組成比の層を使って充分な反
射率を得る為に必要な数の層周期にすると、AlxGa
1-xN材料全体の厚みが大きくならざるを得ず、エピタ
キシャル層のクラックの危険性を増大させ、組成の制御
性を悪くしてしまうのである。実際、図1のAl0.30G
a0.70N/GaNのスタック構造は既に最高2.5μm
もの厚みとなっており、しかもVCSELに充分と言え
る反射率からは程遠いのである。従って、この層の対を
使って高い反射率のDBRを得るには、全体の厚みを
2.5μmに比べて大幅に越えるものとしなければなら
ず、AlN及びGaN成長温度が異なる条件下では信頼
に足る成長を行うことは困難なのである。層がドーピン
グされておらず、クラックが大きな問題にはならない場
合であっても、高反射率を持つDBRの成長には組成制
御及びAlN/GaN成長温度がここでも大きな困難の
種となる。従って、DBRが電流を流す必要が無い場合
においても、InxAlyGazN材料系における99%
を越える反射率のミラースタック構造は、未だ実現され
ていないのである。この理由によって誘電体を使用する
DBRミラーが好まれるのである。
ウエハ上に作製される。パッケージングを行う前に、ウ
エハを独立したダイにダイシングしなければならない。
サファイアが成長基板として使われた場合、サファイア
基板を削ったりダイシングしなければならない。サファ
イアの持つ硬度及び六角形の結晶構造により、ダイシン
グ処理は難しく、費用もかさむ。
lGaN発光素子を製造する為の装置及び技術を開示す
るが、これはサファイア成長基板から発光層を取り除く
ことにより得られるものである。幾つかの実施形態にお
いては、改善されたパフォーマンスとコスト効率を提供
する垂直型InAlGaN発光ダイオード構造について
説明する。更に、熱伝導率及び製造の容易性を基準に選
択した基板上に垂直共振器型GaN系LED又は垂直共
振器型面発光レーザ(VCSEL)を効率良く作製する
為に、メタルボンディング、基板リフトオフ技術及び新
規のRIE(反応性イオンエッチング)素子分離技術を
採用している。
子層へのオーム接触が、InAlGaN素子層の両面
(頂面及び底面)に設けられることを特徴とする素子と
して形成される、垂直導電型InAlGaN発光素子、
及びその製造方法に関する。
示す。まず、InAlGaN発光素子(20)を、サフ
ァイア等の除去できる成長基板(30)上に成長させ
る。この構造はp型層(20a)が露出するように成長
させる。反射性のオーム接触部(18)はそのp型In
AlGaN層(20a)上に形成される。その後InA
lGaN構造体を、InAlGaN発光層(20)とホ
スト基板(12)との間に挟まるボンディング層(1
6)の手段によりホスト基板(20)へとボンディング
する。ボンディング層(16)の材料は機械的に強い接
着性と導電性を持つものを選択する。一般的にボンディ
ング層には、InAlGaN素子層側に設けられる第1
のボンディング層(16a)と、ホスト基板側に設けら
れる第2のボンディング層(16b)とを含む複数の層
が含まれる。ボンディング層(16)の形成には、電子
ビーム蒸着やスパッタリング、電気めっき法等の従来よ
り周知のいずれの手段を利用しても良い。ボンディング
の後、除去用サファイア成長基板(30)は、従来技術
において既知の数ある基板除去技術のうちの1つ(除去
用基板をレーザ融解、機械的研磨、又は化学エッチング
する等)を使って除去される。その後それらのInAl
GaN層をパターニング及びエッチングし、接続構造を
設けて電流注入型発光素子が完成する。ボンディング層
は、低抵抗の電流拡散層、p型InAlGaN層へのオ
ーム接触部、そしてホスト基板への接着層としての役割
を果たす。
に、InAlGaN発光素子層を除去用基板(30)上
に成長させ、反射性のオーム接触部(18)を露出した
p型層(20a)上に形成する。次に、InAlGaN
構造体(20及び18)をボンディング層(16)を介
して導電性のホスト基板(12)へとボンディングす
る。この基板は半導体、誘電体又は金属でも良い。これ
が半導体基板である場合、ボンディング層は基板のオー
ム接触層(24a)に隣接して、或はそのオーム接触層
から構成することが必要である。他方のオーム接触層
(24b)は、基板のボンディングされた界面(14)
とは反対側に設ける。ホスト基板(12)をボンディン
グした後、除去用成長基板を取り去り、n型のオーム接
触部(22)をn型InAlGaN層に設ける。この結
果、垂直方向に導電性を有するInAlGaN発光素子
が完成する。この素子は、半導体又は金属ホスト基板の
低抵抗率により優れた電流拡散を示し、これにより低い
順電圧及び高い光電変換効率が得られるものである。加
えて、素子の頂面にはオーム接触が1つしか無い為、そ
して素子への他方のオーム接触部を製造する過程におい
て素子の活性領域は全く除去されることがない為、その
有効な活性部分の面積は、現在市場に流通する素子で4
0%未満であるのに対して75%を越え、その活性領域
部分が遮断されずに発光するように維持されている。
型InAlGaN層(20a)に対してp型側のオーム
接触部(18)に加えてDBRミラースタック構造(2
6a)が形成されている。ミラースタック構造は、誘電
体、半導体及び金属のうちの1つ以上の材料から構成さ
れたもので良い。この構造体は、ボンディング層(1
6)を介してホスト基板(12)へとボンディングされ
るが、ボンディング層(16)はホスト基板(12)へ
の接着と、そしてp型側のオーム接触部(18)金属へ
の電気接続を提供する。ボンディング層(16)の材料
及び厚みは、ホスト基板への接着処理の間にDBRミラ
ースタック構造の反射率を損なわないように選択されな
ければならない。除去用成長基板(30)を除去した
後、第2のDBRミラースタック構造(26b)が、I
nAlGaN垂直共振器型光電素子構造体の第1のミラ
ースタック構造(26a)とは反対側に形成される。こ
の任意選択により設ける第2のミラースタック構造(2
6b)はパターン化され及びエッチングされてn型オー
ム接触部(22)用の面積を作る。垂直共振器型面発光
レーザのためには、ミラーには非常に高い反射率(>9
9%)を持たせなければならない。共振器キャビティL
EDでは、ミラーの反射率条件は>60%と緩和され
る。垂直導電性を有する素子には、第1及び第2の基板
オーム接触部(24a、24b)が設けられる。
図4に示す。図4(a)は、成長基板(30)上に成長
したInAlGaN発光層(20a、20b)を示し、
p型InAlGaN層の頂面には反射性の銀のオーム接
触部(18)が設けられている。p型のオーム接触部に
は銀が好ましく、これは銀がInAlGan発光素子か
ら放射される代表的な光の波長に対する高い反射率を有
し、p型InAlGaNに対する低い接触抵抗を持つ為
である。他の例示によれば、InAlGaN層を、サフ
ァイア成長基板から最も遠い層がn型となるように形成
した素子の場合、オーム性金属としてはアルミニウムが
優れた選択肢であるが、これはアルミニウムがInAl
GaN素子から放射される典型的な光の可視波長領域に
おける高い反射率を持ち、n型InAlGaNに対して
優れたオーム接触部を作る為である。素子構造体上に示
されているのは、垂直方向の導電性を助長する為に第1
及び第2のオーム接触部を設けた低抵抗のホスト基板
(12)である。ボンディング層(16a)は第1の基
板オーム接触上に設けても良い。第2のボンディング層
(16)は任意選択によりp型側のオーム接触部(1
8)上に設けられ、後の工程で機械的強度の高い金属ウ
エハボンディングが促進されるようにしても良い。図4
(b)においては、ホスト基板がボンディング層を介し
てInAlGaN層にウエハボンディングされている。
図4(c)においては、成長基板(30)は除去されて
おり、n型InAlGaN層に対するオーム接触部(2
2)が設けられている。その後InAlGaN層を通し
てエッチングしてメサ構造(32)が形成され、個々の
素子の活性領域が画定される。図4(d)においては、
ホスト基板をダイシングして個々のInAlGaN発光
素子に分割する。シリコンは非常に小さなチップに削っ
たり切断したりすることが容易であり、また他の一般的
な基板と比較して電気抵抗が低く、熱伝導率が良い為、
ホスト基板として推奨される。この方法により、InA
lGaN素子を容易にダイシングすることが出来、サフ
ァイアをダイシングする場合に生じる問題を回避するこ
とが出来るのである。また更に、成長基板を除去した後
ではなく、ホスト基板に接着する前にメサ部をエッチン
グすることが可能である。
ると、本発明は、ホスト基板(12)と、該ホスト基板
(12)に近接して第1及び第2の極性の素子層を含む
前記InAlGaN発光構造体(20)と、該InAl
GaN発光構造体(20)の上面の第1の素子接触部
(22)と、前記ホスト基板(12)と前記InAlG
aN発光構造体(20)との間に挟まるウエハボンディ
ング層(16)と、そして前記InAlGaN発光構造
体(20)の底面に電気的に接続され、前記ウエハボン
ディング層中に位置する第2の素子接触部(18)とを
含むInAlGaN発光素子を提供する。
8)が、銀を50%以上含有する。
8)が、アルミニウムを50%以上含有する。
金属及び半導体を含む群から選択される。
シリコン、ゲルマニウム、ガラス、銅及びヒ化ガリウム
を含む群から選択されることを特徴とする請求項4に記
載の発光素子。
導体であり、前記ホスト基板(12)の上面に第1の基
板オーム接触部(24a)が設けられる。
的に接続する第2の基板オーム接触部(24b)を更に
含む。
体の2つの反対側の側面に配した一対の研磨ミラーを更
に含み、端発光レーザを形成する。
体の上面に設けた第1の誘電ブラグリフレクタミラー
(26a)と、そしてInAlGan発光構造体の底面
に隣接してウエハボンディング層中に設けた第2の誘電
体ブラグリフレクタミラー(26b)とを更に含む。
層を持つInAlGaN発光構造体を成長基板上に成長
させる工程と、第1のオーム金属層をInAlGaN発
光構造体の露出面に形成する工程と、第2のオーム金属
層をホスト基板上に形成する工程と、そして第1及び第
2のオーム金属層をウエハボンディングして第1の電気
接触をウエハボンディング界面中に形成する工程とを含
むことを特徴とする垂直導電性InAlGaN発光素子
製造方法を提供する。
ッケル、アルミニウム、金及びコバルトを含む群から選
択される。
そしてInAlGaN発光構造体の新たに露出した面に
第2の電気接触を作る工程とを更に含む。
通して、所望の素子サイズに対応するメサをエッチング
する工程を更に含む。
更に含む。
成長させる工程が、成長基板上に50ミクロンを越える
厚みを持つInAlGaN膜を成長させる工程を含む。
体を含む群から選択される。
のオーム接触層でもありホスト基板への接着層でもある
層から成ることを特徴とするInAlGaN発光素子の
実施形態を示す図である。
のオーム接触層でもあり導電性ホスト基板のオーム接触
層でもある層から成ることを特徴とするInAlGaN
発光素子の実施形態を示す図である。
(DBR)ミラースタック構造を発光層の反対面に設け
たInAlGaN発光素子の実施例を示す図であり、ボ
ンディング層はInAlGaNヘテロ構造体のオーム接
触層でもあり導電性ホスト基板のオーム接触層でもある
層から成るよう示される。
グ方法の実施形態を示す図であり、図4(a)において
は、InAlGaN層がサファイア基板上に形成され、
オーム接触及びボンディング層でコーティングされてい
る。図4(b)においては、サファイア基板を除去する
前にホスト基板がInAlGaN層にボンディングされ
る。図4(c)においては、InAlGaN素子がIn
AlGaN素子を通してのエッチングで形成されたメサ
部により画定される。図4(d)においては、ホスト基
板をダイシングすることにより素子が最終的に分割され
る。
Claims (16)
- 【請求項1】ホスト基板と;該ホスト基板に近接して第
1及び第2の極性の素子層を含む前記InAlGaN発
光構造体と;該InAlGaN発光構造体の一面の第1
の素子接触部と;前記ホスト基板と前記InAlGaN
発光構造体との間に挟まるウエハボンディング層と;そ
して前記InAlGaN発光構造体の他面に電気的に接
続され、前記ウエハボンディング層中に位置する第2の
素子接触部とを含むInAlGaN発光素子。 - 【請求項2】前記第2の素子接触部が、銀を50%以上
含有することを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 【請求項3】前記第2の素子接触部が、アルミニウムを
50%以上含有することを特徴とする請求項1に記載の
発光素子。 - 【請求項4】前記ホスト基板が、金属及び半導体を含む
群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の発
光素子。 - 【請求項5】前記ホスト基板が、シリコン、ゲルマニウ
ム、ガラス、銅及びヒ化ガリウムを含む群から選択され
ることを特徴とする請求項4に記載の発光素子。 - 【請求項6】前記ホスト基板が半導体であり、前記ホス
ト基板の上面に第1の基板オーム接触部が設けられたこ
とを特徴とする請求項4に記載の発光素子。 - 【請求項7】前記ホスト基板の底面に電気的に接続する
第2の基板オーム接触部を更に含むことを特徴とする請
求項6に記載の発光素子。 - 【請求項8】前記InAlGaN発光構造体の2つの反
対側の側面に配した一対の研磨ミラーを更に含み、端発
光レーザを形成したことを特徴とする請求項1に記載の
発光素子。 - 【請求項9】前記InAlGaN発光構造体の上面に設
けた第1の誘電ブラグリフレクタミラーと;そしてIn
AlGan発光構造体の底面に隣接してウエハボンディ
ング層中に設けた第2の誘電体ブラグリフレクタミラー
とを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の発光素
子。 - 【請求項10】第1及び第2の極性の素子層を持つIn
AlGaN発光構造体を成長基板上に成長させる工程
と;第1のオーム金属層をInAlGaN発光構造体の
露出面に形成する工程と;第2のオーム金属層をホスト
基板上に形成する工程と;そして第1及び第2のオーム
金属層をウエハボンディングして第1の電気接触をウエ
ハボンディング界面中に形成する工程とを含むことを特
徴とする垂直導電性InAlGaN発光素子製造方法。 - 【請求項11】第1のオーム金属層が銀、ニッケル、ア
ルミニウム、金及びコバルトを含む群から選択されるこ
とを特徴とする請求項10に記載の製造方法。 - 【請求項12】成長基板を除去する工程と;そしてIn
AlGaN発光構造体の新たに露出した面に第2の電気
接触を作る工程とを更に含むことを特徴とする請求項1
0に記載の製造方法。 - 【請求項13】InAlGaN発光構造体を通して、所
望の素子サイズに対応するメサをエッチングする工程を
更に含むことを特徴とする請求項12に記載の製造方
法。 - 【請求項14】ホスト基板を分割する工程を更に含むこ
とを特徴とする請求項13に記載の製造方法。 - 【請求項15】InAlGaN発光構造体を成長させる
工程が、成長基板上に50ミクロンを越える厚みを持つ
InAlGaN膜を成長させる工程を含むことを特徴と
する請求項10に記載の製造方法。 - 【請求項16】ホスト基板が、金属及び半導体を含む群
から選択されることを特徴とする請求項10に記載の製
造方法。
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