JP2002158373A - 発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法Info
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- JP2002158373A JP2002158373A JP2001107515A JP2001107515A JP2002158373A JP 2002158373 A JP2002158373 A JP 2002158373A JP 2001107515 A JP2001107515 A JP 2001107515A JP 2001107515 A JP2001107515 A JP 2001107515A JP 2002158373 A JP2002158373 A JP 2002158373A
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Abstract
の製造方法を開示する。 【解決手段】 本発明は、透過性接着材料の層を用い
て、透過性基板と、光吸収基板を有するLEDエピタキシ
ャル構造体とを接着させる。その後、光吸収基板を取り
除き、透過性基板を有するLEDを形成する。透過性基板
を用いることによって、LEDの光出力効率を大幅に改善
できる。
Description
ED)チップの構造及び製造方法に関し、特にAlGaInP LED
チップの構造及び製造方法に関する。
ように二重ヘテロ構造(DH)を有し、これは、n型GaAs基
板3上に形成されたAl組成比が70〜100%のn型(AlxGa
1-x)0.5In0.5P下側クラッド層4、(AlxGa1-x)0.5 In
0.5P活性層5、Al組成比が70〜100%のp型(AlxGa1-x)
0.5In0.5P上側クラッド層6、p型の高エネルギギャップ
のGaAsP,InGaP,AlGaP,GaP又はAlGaAsの電流拡散層7
から構成されている。従来のLED構造の出力波長は、活
性層の組成比を調整することによって変えることがで
き、650nmの赤から555nmの純粋な緑まで作り出すことが
できる。従来のLEDの一つの欠点は、活性層によって作
り出された光がGaAs基板の向かって下側に出力される
と、GaAs基板は小さいエネルギギャップを有するため、
GaAs基板によって光が吸収されてしまうことである。従
って、LEDの光出力の性能が大幅に減少することとな
る。
つかの従来のLED技術が開示されている。しかしなが
ら、これらの従来技術は、まだ、いくつかの欠点と制限
を有している。例えば、Sugawara等が開示した方法は、
これは、Appl. Phys Lett.Vol.61,1775-1777(1992)で出
版されているが、GaAs基板上に分布ブラッグ反射 (DBR)
層を加え、GaAs基板に向かって下側に出力された光を反
射し、GaAs基板によって吸収される光を減少させる。し
かし、DBR層は、GaAs基板へのノーマル投射付近の光を
反射するだけであるので、効率は非常に大きくはなかっ
た。
Ga1-x)0.5In0.5P/GaP発光ダイオードを開示した[Appl.
Phys Lett.Vol.64,No21, 2839(1994); Very high-effi
ciency semiconductor wafer-bonded transparent-subs
trate (AlXGa1-X) 0.5 In0.5P/GaP]。このTSAlGaInP LE
Dは、ハイブリッド気相成長(HVPE)を用いて非常に厚い
(約50μm)p型GaP窓層を成長させることによって製造さ
れた。結合する前に、n型GaAs基板は化学機械研磨及び
エッチング技術を用いて選択的に除去された。その後、
露出されたn型(AlxGa1-x)0.5In0.5Pクラッド層は、8-10
ミルの厚さのn型GaP基板にウェハ結合される。結果とし
てのTS AlGaInP LEDは、吸収基板(AS)AlGaInP LEDと比
べて、光出力において二重の改善を示した。しかしなが
ら、TS AlGaInP LEDの製造工程は複雑過ぎる。従って、
これらのTS AlGaInP LEDを高効率、低コストで製造する
ことは困難である。
されたミラー基板(MS)AlGaInP/metal/SiO2/Si LEDにつ
いて報告した[Appl. Phys Lett. Vol.75, No.203054(19
99);ウェハ接着によって製造されたミラー基板を用いた
AlGaInP発光ダイオード]。彼等は、AuBe/Auを接着剤と
して用い、Si基板とLEDエピ層を接着した。しかしなが
ら、これらのMS AlGaInP LEDの光強度は、注入電流が20
mAでおよそ90mcdであり、依然としてTS AlGaInP LEDの
光強度より40%低い。
不都合があった。従って、本発明は、従来の不都合を解
決したLED構造、及びその製造方法を提供する。
光ダイオード、その発光ダイオードは、光吸収基板上に
形成された複数層AlGaInPエピタキシャル構造体を有す
るLEDエピタキシャル構造体と、透過性基板と、透過性
基板と複数層AlGaInPエピタキシャル構造体とを接着す
るための透過性接着材料の層と、を備える。LEDの活性
層は、シングルへテロ接合(SH)、二重ヘテロ接合(DH)、
多次元量子井戸(MQW)、又は、量子井戸へテロ接合(QWH)
によって構成されることができる。一方、第1と第2の
オーミック接触金属層は、第1と第2の導電型のエピタ
キシャル層にそれぞれ接続されている。その上、第1と
第2のオーミック接触金属層は、両方とも同じ側に位置
している。
供し、その方法は、光吸収基板上に形成された複数層Al
GaInPエピタキシャル構造体を有するLEDエピタキシャル
構造体を準備するステップと、透過性基板を準備するス
テップと、例えば、SOGやシリコーン等の透過性の接着
材料を用いて透過性基板と複数層のAlGaInPエピタキシ
ャル構造体を接着するステップとを有する。その後、光
吸収基板は取り除かれ、第1導電型のエッチングストッ
プ層が露出され、第1のオーミック接触金属層が例えば
形成される。エッチングステップはまた、第2の導電型
のエピタキシャル層を露出させ、第2のオーミック接触
層を形成する。さらに、第1と第2のオーミック接触金
属層は、同じ側に位置している。
実行できるLED構造の接着方法を提供し、V族元素の気
化の問題を回避することである。さらに、透過性基板を
用いることにより、LEDの光出力効率を著しく改善する
ことができる。
この方法により低コストのガラスを透過性基板の材料と
して用いることができる。従って、高効率のスループッ
トと低コストを達成できる。
の製造方法を開示し、以下に詳細に説明する。
オードのエピタキシャル構造体は、n型GaAs基板26
と、エッチングストップ層24と、n型(AlXGa1-X)0.5In
0.5P下側クラッド層22と、(AlXGa1-X)0.5In0.5P活性
層20と、p型(AlXGa1-X)0.5In0 .5P上側クラッド層18
と、p型オーミック接触エピタキシャル層16とから構
成されている。
エピタキシャル層の材料は、AlGaAs、AlGaInP、又はAlA
sPでよく、材料のエネルギギャップが活性層のそれより
大きく、活性層から発した光が吸収されなければよい。
45、下側クラッド層のAl組成はおよそ0.5≦x≦1、上側
クラッド層のAl組成はおよそ0.5≦x≦1である。もし、x
=0であれば、活性層の組成はGa0.5In0.5P、LEDの波長λ
は635nmである。
Pなどの化合の割合は好適な例であり、III−V族半導体
材料のいかなる割合もまた、本発明に適用することがで
きる。さらに、本発明のAlGaInP活性層20は、SH構
造、DH構造、多次元量子井戸(MQW)構造、又は量子井戸
へテロ構造(QWH)でよい。DH構造は、図1に示されるよ
うに、n型(AlXGa1-X)0.5In0.5P下側クラッド層22と、
(AlXGa1-X)0.5In0.5P活性層20と、p型(AlXGa1-X)0.5I
n0.5P上側クラッド層18とから構成され、ここで下側
クラッド層22、活性層20、上側クラッド層18の好
適な厚さは、それぞれ、およそ0.5〜3.0μm、0.5〜2.0
μm、0.5〜3.0μmである。
な材料は、いかなるIII−V族化合半導体材料でもよ
く、GaAs基板26と格子が適合してもしなくてもよい。
本発明のエッチングストップ層24の材料のエッチング
速度は、GaAs基板26のエッチング速度より非常に小さ
い。例えば、InGaPやAlGaAsはエッチングストップ層2
4の良い候補である。さらに、n型AlGaP下側クラッド層
のエッチング速度は、GaAs基板のエッチング速度より非
常に小さい。従って、異なる組成からなる光エピタキシ
ャル層はエッチングストップ層として用いられるが、下
側クラッド層が十分に厚い場合には、光エピタキシャル
層は必要ない。
オンガラス(SOG)などの透過性接着層14と、透過性基
板(TS)10とを有する。なお、接着層14の材料はSOG
に限定されない。ポリイミドやシリコーンなどの似た特
性を有するいかなる接着材料もまた、本発明に適用でき
る。透過性基板は、ガラス、サファイヤウェハ、SiCウ
ェハ、GaPウェハ、GaAsPウェハ、ZnSeウェハ、ZnSウェ
ハ、又はZnSSウェハなどによって構成することができ
る。材料によって吸収される光が小さくなりさえすれ
ば、これらの材料を透過性基板として選択することがで
きる。本発明の一つの利点は、透過性基板が単結晶ウェ
ハである必要がないことである。透過性基板は、エピタ
キシャル層が破壊しないようにLEDエピタキシャル層を
支持するために用いられ、透過性基板に電流は流れな
い。換言すれば、多結晶やアモルファス結晶を基板とし
て用いることができる。これにより、製造コストが著し
く減少する。
2の透過性基板と一緒に接着する。従来の方法に従っ
て、例えば400℃の温度の中で圧力と熱により接着を実
行する。例えば、堆積、気相成長、又はスパッタリング
により、LEDエピタキシャルの表面と透過性基板表面と
にシリコン酸化膜を形成することができ、LEDエピタキ
シャル構造体と透過性基板との接着特性を改善すること
ができる。その後、SOG層を被覆し、そして、例えば400
℃の温度と圧力を一定時間適用し、エピタキシャル構造
体と透過性基板との間の接着を完成させる。さらに良い
接着を提供するために、LEDエピタキシャル構造体とSOG
層によって接着された透過性基板とを、例えば50℃〜30
0℃の低温で熱してSOG層の有機溶媒を取り除くことがで
き、その後、300℃〜700℃の範囲に温度を高め、LEDエ
ピタキシャル構造体、透過性基板、及びSOG層の接着力
を優れたものにすることができる。その後、不透過性の
n型GaAS基板を、5H3PO4:3H2O2:3H2Oや1NH4OH:35H2O2な
どのエッチング液によって取り除く。しかしながら、In
GaPやAlGaAs等のエッチングストップ層は依然として、
活性層から発せられた光を吸収する。従って、エッチン
グストップ層を取り除き、n型オーミック接触金属層と
接触するエッチングストップ層の部分のみを残す必要が
ある。例えばRIEなどのドライエッチング方法を適用
し、n型AlGaInP下側クラッド層、AlGaInP活性層、p型Al
GaInP上側クラッド層を部分的に取り除いて、p型オーミ
ック接触エピタキシャル層をさらに露出させる。その
後、p型オーミック接触金属層28をp型オーミック接触
エピタキシャル層16上に形成する。その後、n型オー
ミック接触金属層30をn型AlGaInP下側クラッド層22
上に形成し、図3に示されるような、p型とn型のオーミ
ック接触金属層が同じ側に形成されたLED構造を形成す
る。
力パワーは、(注入電流20mAで)4mw以上であり、従来の
光吸収基板AlGaInP LEDの光出力パワーより2倍以上大
きい。
れるものではなく、例えば、赤色や赤外線のAlGaAs LED
などの他のLED材料にも適している。図5に示されるエ
ピタキシャル構造体は、本発明の第2実施形態の断面図
である。AlGaAs赤色LED(650nm)は、n型GaAs基板51、
およそ70〜80%のAl組成で0.5μm〜2μmのn型AlGaAs下
側クラッド層52、およそ70〜80%のAl組成で0.5μm〜
2μmのp型AlGaAs上側クラッド層54が積層された構造
を含んでいる。AlGaAs赤色LED構造を、例えばサファイ
ヤなどの透過性基板56にシリコーン55によって接着
する。次に、エピタキシャル構造体をNH4OH:H2O2=1.7:1
などのエッチング液によってエッチングし、不透過性の
n型GaAs基板を取り除く。その後、ウェットエッチング
又はドライエッチングを適用してn型AlGaAs下側クラッ
ド層とAlGaAs活性層とを部分的に取り除き、p型AlGaAs
上側クラッド層をさらに露出させる。その後、p型オー
ミック接触金属層57をp型AlGaAs上側クラッド層54
上に形成する。次に、n型オーミック接触金属層58をn
型AlGaAs下側クラッド層52上に形成し、p型とn型のオ
ーミック接触金属層が同じ側に形成されたLED構造を形
成する。
来の吸収基板AlGaAs LEDより2倍以上大きい。本発明の
AlGaAs LEDの波長は650nmであるが、これに限定される
ものではない。
同じ側に形成されたp型とn型のオーミック金属層を備え
ているので、フリップチップパッケージ方法を適用する
ことができ、従来のワイヤボンディング方法はもはや必
要ではない。これにより、本発明に係る方法によって形
成されたLEDは、より高い信頼性を有する。さらに、透
過性基板は光を吸収しないので、LEDの輝度が改善され
る。さらに、高硬度のサファイヤ、ガラスあるいはSiC
などによって透過性基板を構成することができるので、
破壊することなく基板の厚さを100マイクロメートルま
で薄くすることができ、厚さが薄くてサイズが小さいLE
D構造を製造することができる。
たが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく様々な
変形をすることが認められる。
製造方法の概略を示す断面図である。
製造方法の概略を示す断面図である。
製造方法の概略を示す断面図である。
図である。
す断面図である。
す断面図である。
クラッド層、5…(AlxGa 1-x)0.5 In0.5P活性層、6…
p型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上側クラッド層、7…電流拡
散層、10…透過性基板(TS)、14…透過性接着層、1
6…p型オーミック接触エピタキシャル層、18…p型(A
lXGa1-X)0.5In0.5P上側クラッド層、20…(AlXGa1-X)
0.5In0.5P活性層、22…n型(AlXGa1-X)0.5In0.5P下側
クラッド層、24…エッチングストップ層、26…n型G
aAs基板、28…p型オーミック接触金属層、30…n型
オーミック接触金属層、51…n型GaAs基板、52…n型
AlGaAs下側クラッド層、54…p型AlGaAs上側クラッド
層、55…シリコーン、56…透過性基板、57…p型
オーミック接触金属層、58…n型オーミック接触金属
層。
Claims (34)
- 【請求項1】 光吸収基板上に形成された複数層AlGaIn
Pエピタキシャル構造体を有するLEDエピタキシャル構造
体と、 透過性基板と、 透過性基板と複数層AlGaInPエピタキシャル構造体とを
接着するための透過性接着材料と、 を備える発光ダイオード。 - 【請求項2】 光吸収基板はGaAsである請求項1に記載
の発光ダイオード。 - 【請求項3】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaInPホモ
構造である請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項4】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaInPヘテ
ロ構造である請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項5】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaInP二重
ヘテロ構造である請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項6】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaInP量子
井戸である請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項7】 透過性接着材料はSOGである請求項1に
記載の発光ダイオード。 - 【請求項8】 透過性接着材料はポリイミドである請求
項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項9】 透過性接着材料はシリコーンである請求
項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項10】 透過性基板とLEDエピタキシャル構造
体とを接着した後に光吸収基板を取り除くステップをさ
らに備える請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項11】 透過性基板はサファイヤである請求項
1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項12】 透過性基板はガラスである請求項1に
記載の発光ダイオード。 - 【請求項13】 透過性基板は、GaP又はGaAsPである請
求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項14】 透過性基板は、ZnSe、ZnS、又はZnSSe
である請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項15】 透過性基板はSiCである請求項1に記
載の発光ダイオード。 - 【請求項16】 透過性基板とLEDエピタキシャル構造
体の表面上に形成されたシリコン酸化層をさらに備える
請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項17】 50℃〜300℃の温度中で加熱及び
押圧ステップを実行する第1の段階と、300℃〜70
0℃の温度中で加熱及び押圧ステップを実行する第2の
段階と、によって透過性基板と複数層AlGaInPエピタキ
シャル層とが接着されている請求項1に記載の発光ダイ
オード。 - 【請求項18】 光吸収基板上に形成された複数層AlGa
Asエピタキシャル構造体を有するLEDエピタキシャル構
造体を準備するステップと、 透過性基板を準備するステップと、 透過性接着材料を用いて透過性基板と複数層AlGaAsエピ
タキシャル構造体とを接着するステップと、 を有する発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項19】 光吸収基板はGaAsである請求項18に
記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項20】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaAsホ
モ構造である請求項18に記載の発光ダイオードの製造
方法。 - 【請求項21】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaAsヘ
テロ構造である請求項18に記載の発光ダイオードの製
造方法。 - 【請求項22】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaAs二
重ヘテロ構造である請求項18に記載の発光ダイオード
の製造方法。 - 【請求項23】 LEDエピタキシャル構造体はAlGaAs量
子井戸である請求項18に記載の発光ダイオードの製造
方法。 - 【請求項24】 透過性接着材料はスピンオンガラス(S
OG)である請求項18に記載の発光ダイオードの製造方
法。 - 【請求項25】 透過性接着材料はポリイミドである請
求項18に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項26】 透過性接着材料はシリコーンである請
求項18に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項27】 透過性基板とLEDエピタキシャル構造
体とを接着した後に光吸収基板を取り除くステップをさ
らに備える請求項18に記載の発光ダイオードの製造方
法。 - 【請求項28】 透過性基板はサファイヤである請求項
18に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項29】 透過性基板はガラスである請求項18
に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項30】 透過性基板は、GaP又はGaAsPである請
求項18に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項31】 透過性基板は、ZnSe、ZnS、又はZnSSe
である請求項18に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項32】 透過性基板はSiCである請求項18に
記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項33】 透過性基板とLEDエピタキシャル構造
体の表面上にシリコン酸化層を形成するステップをさら
に備える請求項18に記載の発光ダイオードの製造方
法。 - 【請求項34】 透過性基板と複数層AlGaAsエピタキシ
ャル層とを接着するステップは、50℃〜300℃の温
度中で加熱及び押圧ステップを実行する第1の段階と、
300℃〜700℃の温度中で加熱及び押圧ステップを
実行する第2の段階と、によって実行される請求項18
に記載の発光ダイオードの製造方法。
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