JP2005268635A - 窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子におけるサファイア基材と結晶体薄膜とを分離するための方法及び窒化ガリウム系垂直発光素子構造 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直発光ダイオードの製造時に、薄膜と基材とをレーザ・ビームによって熔解分離させる場合の、ヒート・ストレスを均一にし、熔解程度を好適にする。
【解決手段】熔解エネルギー・ソースとしてレーザ・ビーム・アレイを使用し、且つそのレーザ・ビーム・アレイの照射範囲と、熔解分離を待機する薄膜と過渡基材との間の接触面の面積とをほぼ同様になるように設定する。この場合では、レーザ・ビーム・アレイの電源が投入されると、アレイにおけるそれぞれのレーザ・ビームのエネルギーが同時に薄膜面に吸収され、その薄膜面のそれぞれの部分の熔解程度が相当に均一的になりつつ、過渡基材と分離されるようになり、且つその薄膜面においては、ヒート・ストレスの課題が存在しないことから、さらに好適に過渡基材との間の付着することを均一的に分離させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化ガリウム系発光ダイオードの技術に係わり、特に窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子におけるサファイア基材と結晶体薄膜とを分離するための方法に関するものである。

半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の発展は、既に数十年の歴史を有し、その発光効率の向上が、いつもＬＥＤが民生用光源として使用できるかのキー・ポイントとなっており、そのため、数年来、ＬＥＤの発展方向が大体その発光効率を向上することに方向が向けられており、しかしながら、発光効率を向上する発展中において、放熱の課題がいつも大きな制限的要素となっており、即ち、発光効率が次々に向上されるのに際して、その光線の生成する熱エネルギーがもし効果的に排除できないなら、そのＬＥＤ装置が依然としてノーマルに仕事できない窮屈な窪みに陥っており、そのため、ここ数年来、ＬＥＤの研究開発がその発光効率を向上することとその生じる熱エネルギーを排除することなどの方向に向けられている。

ＬＥＤの発展史において、提案される放熱技術が多くあり、例えば、金属材電気回路基板によって従来の熱伝導性の不好適な印刷電気回路基板を取替え、それによって、結晶粒子の生成する熱エネルギーをＬＥＤの構成外において金属材を介して放熱させる。また、ＬＥＤ構成内の熱エネルギーの放熱性も向上されなければならなく、例えば、サファイアにおいては、窒化ガリウム系ＬＥＤ構成を成長させることに好適であるが、それが熱伝導性が不好適な不導体材料であるため、普段は、それによって窒化ガリウム系ＬＥＤ構成を成長し、それから成長されたものを離脱させながら、他の熱伝導性の好適な基材に付着させるようにし、その状態は図１Ａと図１Ｂに示されている。前記のサファイア基材の機能は、単にその上に多層薄膜を形成させることに許容し、それぞれの多層薄膜が形成される後に、それらを除去する必要があるので、それを過渡（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）基材と称する。図１Ａにおいて、示されるのは、垂直発光素子構造１０であり、それは、仕上げ中の製造段階に処しており、図において、まず、ある過渡基材１６を基板とし、それによって薄膜構成層を生成し、薄膜構成には、ｎタイプ窒化ガリウム系層１５と、アクティブ層１４と、ｐタイプ窒化ガリウム系層１３と、金属基材１１とを含んでおり、その一端に前記金属基材１１に形成されるｐタイプ電極１７を有し、過渡基材１６の存在がその後続きの製造プロセスにサポート・ボディを提供するためのものであるので、その垂直発光素子構造の仕上げ後に取り除くことができ、図１Ｂに示す様子のようである。その後、その全体の垂直発光素子構造１０を１８０度めくると図１Ｂに示すような構成を取得し、図１Ｂに示すように、まず過渡基材１６’を取り除き、それから、ｎタイプ窒化ガリウム系層１５’にｎタイプ電極１８’を製造すると、全体の垂直発光素子構造１０’の製造が完了される。

また、図１Ｂに示すように、この際、全体の垂直発光素子構造１０’の上下側にそれぞれ金属電極１７’（ｐタイプ電極）と１８’（ｎタイプ電極）が貼り付けられ、その全体の垂直発光素子構造１０’のそれぞれの層には側辺方向構造を有しないので、垂直構造ＬＥＤと称される。このような構造は前記の放熱の課題を解消できるとともに、その発光面積も従来物より大きくなり、その二つの電極がすべて構造の側辺方向に設けられることはないので、側辺方向の光線出射面積が減少される必要はなく、且つその透明形式がＬＥＤ向上の両側に形成されるので、光線を通し抜けさせることができる。

図１Ｃに示すように、それは、図１Ａから図１Ｂへの過渡基材を取り除く後の窒化ガリウム系垂直発光素子構造１０”の構成であり、アクティブ層１４”より発光する光線は、一部分がｐタイプ窒化ガリウム系層１３”へ進み、他の部分がｎタイプ窒化ガリウム系層１５”へ進み（図中の矢印の示す様子）、もし、ｎタイプ電極１８”の側が所要する光線の出射箇所となる場合、ｐタイプ電極１７”への光線が浪費されてしまう。

前記の垂直構造の過渡基材とその上方の薄膜層との間の分離は、現在では、既に複数種の技術が提案されており、例えば、先頭に説明したような、サファイアを基材（過渡基材）とする方法は、それぞれの層の構造の形成を実行し、且つその過渡基材とその上方におけるｐタイプ半導体材料層またはｎタイプ半導体材料層との間に脆い構造を作り、且つ力を掛けてそれを分離させる。また、従来の技術においても、レーザ・ビームによってエネルギーを提供することによって過渡基材とその上方における薄膜とを分離させる方法があり、この時、前記上方の薄膜が前記レーザ・ビームよりのエネルギーを吸収し、且つ熔解されて前記過渡基材と分離するようになる。そのような例として、例えば、アメリカの早期に公開された出願件ＵＳ２００３０１５０８４３号に開示される技術がある。その出願件において、図２に示すように、あるリニア・レーザ・ビーム２３が過渡基材２２における薄膜層２１に対しスキャニングをし、その薄膜層２１がレーザ・ビーム２３のエネルギーを吸収する後に、過渡基材２２との接合面２５が熔解されてそれを過渡基材２２と分離するようになり、その中、過渡基材２２と薄膜層２１とがスキャニングされる際に、その移動方向が図に示すように、符号Ｓが一次スキャニングの場合のスキャニング・エリアであり、符号Ｍは一次スキャニングの場合のスキャニング幅であり、また、符号ｔは薄膜層２１の厚さであり、その中、スキャニング幅Ｍの値が前記厚さｔの値に近似するか、そのまま同じようになることである。

しかしながら、その出願件のテクニックには、依然として課題が存在している。例えば、全層の薄膜がリニア・ライト・ソースによってスキャニングされる後に、その薄膜におけるそれぞれの箇所の熔解程度がそれぞれ異なっており、そのため、過渡基材２２を離脱させる場合では、過渡基材２２と薄膜層２１との間のそれぞれの箇所の受ける剥離力が不均一になり、また、リニア・レーザ・ビームによってスキャニングする場合に、ヒート・ストレスの課題を有し、その不均一のヒート・ストレスもその剥離効果を不好適にならせることがあり、薄膜層を破裂させる虞がある。

従来の窒化ガリウム系垂直構造の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子構造とその製造方法には、前記のようなそれぞれの課題を有することに鑑みて、製造時に前記のそれぞれの課題を避けられる窒化ガリウム系垂直発光ダイオード（ＬＥＤ）構造と、その構造における基材と薄膜とを分離させる方法などについては、即刻提案される必要がある。

前記のニーズに応じるため本発明は、垂直発光ダイオードの製造時に、薄膜と基材とをレーザ・ビームによって熔解分離させる場合の、ヒート・ストレスが不均一になる課題と、その熔解程度を好適にするための課題をその主要な解決しようとする課題とする。

前記目的を図るために、本発明の第一の態様は、熔解エネルギー・ソースとしてレーザ・ビーム・アレイを使用し、且つそのレーザ・ビーム・アレイの照射範囲と、熔解分離を待機する薄膜と過渡基材との間の接触面の面積とをほぼ同様になるように設定する。

そのような場合では、レーザ・ビーム・アレイの電源が投入されると、アレイにおけるそれぞれのレーザ・ビームのエネルギーが同時に薄膜面に吸収され、その薄膜面のそれぞれの部分の熔解程度が相当に均一的になりつつ、過渡基材と分離されるようになり、且つその薄膜面においては、ヒート・ストレスの課題が存在しないことから、さらに好適に過渡基材との間の付着を均一的に分離させることができる。

他に、そのレーザ・ビーム・アレイの薄膜全体に対する照射時間が短くなり、そのため、製造プロセスのかかる時間が短縮化される。

また、本発明の第二の態様は、優れた発光効率を有する窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子構造を提供することにあり、その中、光線反射用の金属反射層を導入することによって、大きいほうの光線出力効率を取得するように設計される。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明の優れた実施の形態を詳細で具体的に説明するが、それらの説明による具体的な構造は、単に本発明の実施可能な実施例に過ぎず、本発明の主張範囲を狭義的に定義するものではないことは言うまでもない。

垂直発光ダイオード（ＬＥＤ）構造に対し、本発明は、効果的な製造方法を提案している。その方法を利用する場合、垂直構造におけるサファイアを基材とする過渡基材とその上方における薄膜層とがより均一的に分離されることができ、且つ製造プロセスのかかる時間を短縮化できる。

図３に示すのは、本発明の製造過程の様子を示す説明図であり、その図に示すように、構造３４には、過渡基材３１と、その上方における薄膜層３２とを有しており、その中、薄膜構造の細かいことについて図に示されていないが、それには、ｎタイプ窒化ガリウム系層と、アクティブ層と、ｐタイプ窒化ガリウム系層と、金属基材などを有すべきであり、且つ一端のｐタイプ電極を有しており、二種類の材料３１，３２が分離される必要があり、その分離する方式として、過渡基材３１の上方にレーザ・ビーム・アレイ３３を提供し、且つそのレーザ・ビーム・アレイによってエネルギーを提供し、そのレーザ・ビーム・アレイが全体の薄膜層３２の上方に分布されるので、その構造３４が移動されなくても、その全体の薄膜層３２が照射を受けることができる。ここでは、特別に説明したいのは、図面に開示されるレーザ・ビーム・アレイ３３として１ｘ３のレーザ・ビーム・アレイ３３を例として示しているが、その形式について、実には、任意の適当に均一的に接合面３５に投射可能な様態を採用でき、例えば、１ｘｎアレイや３ｘｎアレイなどを好適に採用できる。

レーザ・ビーム・アレイ３３の電源が投入されると、レーザ・ビーム・アレイ３３がエネルギーを発射し、そのレーザ・ビーム・アレイ３３の機能性は、過渡基材３１と薄膜層３２との間の接合面３５を熔解させるものであり、そのため、レーザ・ビーム・アレイのレーザ・ビームの波長については、そのレーザ・ビームによって接合面３５に吸収させつつ熔解させることができるとともに、基材を通し抜けるような仕様に設定することをその原則とするべきであり、例えば、薄膜層３２としてｎタイプ窒化ガリウム系層を使用する場合に、そのレーザ・ビームの波長をほぼ３２７ｎｍに設定する。

過渡基材３１と薄膜層３２との間の接合面３５に均一的にレーザ・ビーム・アレイ３３より発射するエネルギーを吸収させるために、レーザ・ビーム・アレイの設計として、全体の接合面３５のエネルギー吸収状況を均一的にならせることができることをその原則とすべきである。

ある実施の形態の場合では、過渡基材３１とレーザ・ビーム・アレイ３３との間には、光格子面（複数本の狭いスリット同士の組合せであり、図示せず）を加えてもよく、それによってレーザ・ビーム・ソースを長尺状になわせる。長尺状のレーザ・ビーム同士が過渡基材３１に投射される後に、薄膜層３２においてのエネルギーを吸収する様子が図４に示すものと同様に作るべきである。

図４に示すように、薄膜層４２の接合面４５には複数のエネルギー吸収パターンが形成され、つまり、１ｓｔ、２ｎｄ・・・ｎｔｈである。それらの長尺状のエネルギー吸収パターン１ｓｔ、２ｎｄ・・・ｎｔｈは、その上方の光格子面のそれぞれのスリットより形成されるものであり、その中、それぞれの本の長尺状区域１ｓｔ、２ｎｄ・・・ｎｔｈが緊密的に接合し、且つそれぞれの区域１ｓｔ、２ｎｄ・・・ｎｔｈ内のエネルギーの吸収する強度が殆ど同じになり、且つそれぞれの区域１ｓｔ、２ｎｄ・・・ｎｔｈの吸収するエネルギーの強度の均一さも殆ど同じになり、ここでは、特別に説明したのは、前記に説明した光格子面は、他の光学素子によって取り替えることができ、単に、薄膜４２に投射されるレーザ・ビームを均一的に分布させることができればよい。

図５は、他のエネルギー吸収強度の分布様子を示す実施の形態であり、その薄膜層５２には複数本の吸収パターンが形成され、その吸収パターンと図４に示す吸収パターンとが異なっており、このような場合でも、薄膜層５２の表面に均一的にエネルギーを吸収させることができるとともに、均一的に過渡基材と分離させることができ、もちろん、他の薄膜層５２の表面における吸収強度を均一的にできるパターンでも実施の形態として採用できる。

エネルギーの吸収様子を均一的にできるパターンを形成させるために、レーザ・ビームに対し再処理を実施しなければならなく、例えば、前記のように光格子面を加入する。他に、レーザ・ビームの他の特性も調整しなければその分布を更に均一的にできず、例えばそれぞれのレーザ・ビームの投射集中焦点を調整するような手段によって達成させることができる。また、薄膜のレーザ・ビームを吸収する強度の分布パターンをできるだけ図６に示すような様子に類似するように設計したほうがよく、その中、図６における薄膜接合面のｘ軸とｙ軸におけるそれぞれのポイントのエネルギー吸収強度が殆ど同じようになっている。

また、図７に示すのは、本発明の窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子構造７０であり、その構造には、複数層の薄膜構造と、ｐタイプ電極７７と、ｎタイプ電極７８とを含んでおり、その中、ある金属反射層７２がその中間部に挿入製造されている。アクティブ層７４が発光する場合、一部の光線がｐタイプ窒化ガリウム系層７３へ進み、金属反射層７２がその部分の光線を反射し、その反射光をｎタイプ窒化ガリウム系層７５のある側より構造７０の外部へ出射させ、そのため、その発光効率が向上される。他に、構造７０におけるｎタイプ窒化ガリウム系層７５と、そのｐタイプ窒化ガリウム系層７３の位置が相互に変えられてもよく、そのような場合では、本発明の他の実施の形態を形成する（図示せず）。他に、金属反射層７２の構成材料として、金属基材７１との貼り付け程度が好ましく、且つ反射能力が好ましいものを使用でき、例えば、ＣｕＷ合金を金属基材とする場合では、ＡｇやＡｌやＲｈなどを金属反射層７２の構成材料として好適に採用できる。

本発明は、前記に説明した従来技術と比べて、その薄膜の接合面に投射されるエネルギーの分布が均一になるので、薄膜接合面全体においては、ヒート・ストレスが不均一になるような課題を有さず、且つ分離前にそのレーザ・ビームの照射完成時間帯が異なることによる分離が不均一になるような課題を有しないので、本発明の提案するレーザ・ビーム・アレイ・エネルギー・ソースの設計が前記の従来技術のそれぞれの課題を解消できる。また、その薄膜面におけるレーザ・ビームの照射は、従来技術のようにスキャニングを採用する必要はないため、一回に、全体の薄膜面に対し照射を実施するので、その製造プロセスにかかる時間が大幅に短縮化されることができる。

本発明に係わる基本的な実施の形態について既に前記のように詳しく説明したので、当該分野における技術者が前記のそれぞれの実施の形態のテクニックを習って、それぞれ異なる実施例を作ることができると想定されており、例えば、レーザ・ビーム・アレイの仕様と、その発光するレーザ・ビームの数量を変更し、または、前記薄膜接合面の吸収強度分布パターンを変更し、または、前記光格子面を他の光学素子によって置き換え、または、レーザ・ビーム・ソースと薄膜材料との組合せに変更を実施することなどを柔軟的に変化を実行できるが、それらのことはすべて本発明の主張範囲内に納入されるべきことは言うまでもない。

基材と薄膜層とを分離する場合を示す従来の製造プロセスの説明図である。 基材と薄膜層とを分離する場合を示す従来の製造プロセスの説明図である。 従来技術の垂直発光ダイオード構造を示す説明図である。 従来技術の基材と薄膜層とを分離する場合を示す説明図である。 本発明のレーザ・ビーム・アレイによって薄膜と基材とを分離する製造プロセスの実施の形態を示す説明図である。 本発明の薄膜層におけるエネルギー吸収強度の分布様子のある実施例を示す説明図である。 本発明の薄膜層におけるエネルギー吸収強度の分布様子の他の実施例を示す説明図である。 本発明の薄膜接合面におけるそれぞれのポイントにおけるエネルギー吸収強度の好適に分布する様子のある実施例を示す説明図である。 本発明の窒化ガリウム系垂直発光ダイオード構造を示す説明図である。

符号の説明

３１ 過渡基材
３２、４２、５２ 薄膜
３３ レーザ・ビーム・アレイ・ソース
３５、５５ 基材と薄膜層との接合面
４５ 基材と薄膜との間の接合面
７０ 窒化ガリウム系垂直発光ダイオード構造
７１ 金属基材
７２ 金属反射層
７３ ｐタイプ窒化ガリウム系層
７４ アクティブ層
７５ ｎタイプ窒化ガリウム系層
７７ ｐタイプ電極
７８ ｎタイプ電極

Claims (9)

1. 結晶体薄膜層がサファイア基材に貼り付けてなる窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子におけるサファイア基材と結晶体薄膜層とを分離するための方法において、
   前記サファイア基材の上方にレーザ・ビーム・アレイを配置し、そのレーザ・ビーム・アレイの発光するレーザ・ビーム・ライトが少なくとも一部が前記サファイア基材を通し抜けるとともに、前記結晶体薄膜層に吸収されることができるように処理するステップ一と、
   レーザ・ビーム・アレイによって前記サファイア基材を通しぬけさせて前記結晶体薄膜層に照射するステップ二と、
   前記サファイア基材と前記結晶体薄膜層を分離するステップ三とを少なくとも有することを特徴とする窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子におけるサファイア基材と結晶体薄膜層とを分離するための方法。
2. 前記レーザ・ビームの波長として３２７ｎｍに設定されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子におけるサファイア基材と結晶体薄膜層とを分離するための方法。
3. 前記結晶体薄膜層に照射することが、前記サファイア基材と前記結晶体薄膜層との接合面に照射するように設定されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子におけるサファイア基材と結晶体薄膜層とを分離するための方法。
4. 前記レーザ・ビーム・アレイとして任意のアレイ形式のレーザ・ビームを採用することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系垂直発光ダイオード素子におけるサファイア基材と結晶体薄膜層とを分離するための方法。
5. 基材と薄膜層を分離する方法であって、前記薄膜が前記基材の上方に位置し、その方法には、
   前記基材の上方にレーザ・ビーム・アレイを配置し、そのレーザ・ビーム・アレイの発光するレーザ・ビーム・ライトが少なくとも一部が前記基材を通し抜けるとともに、前記薄膜層に吸収されることができるように処理するステップ一と、
   レーザ・ビーム・アレイによって前記基材を通しぬけさせて前記薄膜層に照射するステップ二と、
   前記基材と前記薄膜層を分離するステップ三とを少なくとも有することを特徴とする基材と薄膜層を分離する方法。
6. 前記薄膜層における吸収は、前記基材と前記薄膜層との接合面において吸収させることを特徴とする請求項５に記載の基材と薄膜層を分離する方法。
7. 前記レーザ・ビーム・アレイとして任意のアレイ形式のレーザ・ビームを採用することを特徴とする請求項５に記載の基材と薄膜層を分離する方法。
8. 金属基材と、
   前記金属基材の上方に位置する金属反射層と、
   前記金属反射層の上方に位置するｐタイプ窒化ガリウム層と、
   前記ｐタイプ窒化ガリウム層の上方に位置するアクティブ層と、
   前記アクティブ層の上方に位置するｎタイプ窒化ガリウム層と、
   を少なくとも有するとともに、
   前記ｐタイプ窒化ガリウム層と前記ｎタイプ窒化ガリウム層との位置が相互に交換できることを特徴とする窒化ガリウム系垂直発光素子構造。
9. 前記金属基材としてＣｕＷ合金を採用する場合、前記金属反射層としてＡｇ，Ａｌ，Ｒｈなどを採用することを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウム系垂直発光素子構造。

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