JP2006352089A - 温度依存性を低減したＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ - Google Patents

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Abstract

【課題】可視光出力の温度依存性を低減したＬＥＤの形成技術を提供する。
【解決手段】温度感受性を低減するために、望ましいＡｌＩｎＧａＰ層に等しいか又はほぼ等しい格子定数を有する加工した成長層が基板の上に形成される。一実施形態では、段階的ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＰ層をＧａＡｓ基板の上に成長させる。インジウムの量は、最終格子定数が望ましいＡｌＩｎＧａＰ活性層と等しくなるように層の成長中に増大される。別の実施形態では、歪んだ（圧縮された）非常に薄いＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層をＧａＡｓ基板上に成長させる。ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰの薄い層は、次にＧａＡｓから剥離されて弛緩し、薄い層の格子定数を望ましい上に重なるＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ層の格子定数まで増大させる。次に、ＬＥＤ層を薄いＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層の上に成長させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、可視光出力の温度依存性を低減したＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを形成する技術に関する。
（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのＬＥＤは、赤色から琥珀色までの可視波長を生成するのに使用される。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、一般的に、ＧａＡｓ成長基板上で発光活性層を挟んだｐ型層とｎ型層を含むエピタキシャル層を成長させることによって形成される。高品質３元及び４元基板は非常に作製しにくいので、ＧａＡｓ基板が一般的に使用される。低欠陥ＬＥＤ層を生成するために、（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰエピタキシャル層の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数と一致すべきである。ＧａＡｓ格子定数と一致するためには、ｙ＝０．４８である。ｘ値は、望ましい発光波長を達成するように調節される。
米国特許第６，２３２，１３８号 米国特許第６，５２５，３３５号 米国特許第６，２７４，３９９号 米国特許第５，３７６，５８０号 米国特許第６，３７２，６０９号
ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの光出力は、温度に対する依存度が高い。例えば、８０〜１２０℃の範囲の温度では、有効波長での内部量子効率が大きく低減され、その結果、光出力が室温の光出力の２／３から１／２になる。この光出力の変動は、交通信号灯、尾灯、及びディスプレイのようなある一定の用途においては極めて大きなものである。
必要とされるものは、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの温度感受性を低減する技術である。
ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、ＡｌＩｎＧａＰ活性層の格子定数がＧａＡｓよりも大きい場合に温度感受性が低下することが本出願人によって見出された。格子定数は、インジウムの割合を大きくすれば上げることができる。格子定数を上げると、直接バンドギャップ（間接バンドギャップに対する）再結合の割合が大きくなり、すなわち、量子効率が上がる。しかし、ＧａＡｓ及びＧｅだけが、各々が同様の格子定数である約５．６５Åを有するＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤに対する実際的な成長基板である。
ＡｌＩｎＧａＰ層の格子定数を上げるために、加工した成長層を基板上の上に形成し、この成長層は、発光素子に対して望ましいＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層に等しいか又はほぼ等しい格子定数を有する。一実施形態では、成長層は、（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰの組成を有し、ただし、０≦ｘ≦１．０及びｙ＞０．４８である。
一実施形態では、段階的なＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＰ層をＧａＡｓ又はＧｅ基板の上に成長させる。インジウムの量は、最終格子定数がＡｌＩｎＧａＰ活性層内の望ましいバンドギャップ特性に対するものに等しくなるように、層成長中に増加される。ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＰ層を段階的にすることにより、残留歪みは相対的に低く、許容可能な転位密度がもたらされる（例えば、＜１０Ｅ６／ｃｍ2）。
厚い（約５〜１００ｕｍ）の透明窓層、例えば、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、又はＡｌＧａＡｓをＡｌＩｎＧａＰ活性ＬＥＤ層の上方に成長させることができる。この層は、ＬＥＤ装置に対する光抽出及び電流波及の増加をもたらすものである。得られるウェーハを金属化してダイスカットし、パッケージ内に取り付けて作動ＬＥＤを形成することができる。代替的に、分散ブラグ反射体（ＤＢＲ）エピタキシャル層スタック、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを吸収バッファ層とＬＥＤ活性領域の間に成長させ、下方光をチップの上面に向けて反射させてＬＥＤ輝度を増大させることができる。
別の実施形態では、非常に薄いＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層をＧａＡｓ又はＧｅ成長基板上に成長させ、その場合、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層は、十分に歪んでおり（圧縮されており）、ヘテロエピタキシによって引き起こされる付加的な転位がない。水素イオンが、成長基板の上面の中に注入される。次に、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、又は他の半導体、セラミック、又は金属、又はその合金とすることができるキャリア基板上に成長させた酸化物結合層にウェーハが結合される。得られる構造体を加熱し、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層を成長基板から剥離する水素泡を形成する。次に、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層が弛緩して、その格子定数を増大させる。酸化物結合層は、ウェーハ結合が歪んだ層の拡張を許す場合は任意的である。インジウム含量は、剥離されたＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層が、望ましい上に重なるＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層と同じ格子定数を有するように選択される。次に、弛緩したＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰ層の上にＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ層を成長させる。次に、ＬＥＤ層を最終ホスト基板又はパッケージ要素に結合することができ、キャリア基板及び酸化物層は、例えば、エッチング又はラッピング又はそのあらゆる組合せによって除去される。形状又はテクスチャ（不規則又は秩序的）のような光抽出形態又はフォトニック結晶構造をＬＥＤ構造体の上面に付加することができる。電気接点がＬＥＤ層に対して作られ、ウェーハがダイスカットされる。得られるチップをパッケージ内に取り付けて作動ＬＥＤを形成する。同じ装置作製方法は、上述のＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ段階的バッファ層を使用する技術にも応用することができるであろう。
代替的に、厚い（約５〜１００ｕｍ）透明窓層、例えば、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、又はＡｌＧａＡｓをＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ層の上方に成長させることができる。次に、残りの構造体に対する機械的な支持を厚い窓層によって提供した状態で、キャリア基板及び酸化物層を除去することができる。得られる構造体は、温度及び圧力を上げて、ＧａＰのような導電透明基板に結合することができる。ウェーハ結合条件は、結合境界面が良好な導電性並びに光学透明性の両方をもたらすように選択することができる。得られるウェーハを金属化してダイスカットし、パッケージ内に取り付けて完全に透明なＬＥＤを形成することができる。同じ装置作製方法をＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ段階的バッファ層を用いる技術にも応用することができるであろう。
このように、本出願人は、ベースＬＥＤエピタキシャル層の格子定数を増大させたＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを発明した。格子定数の増大は、ＡｌＩｎＧａＰ活性層の特性に望ましい影響を与える。ＡｌＩｎＧａＰ活性層は、その格子定数がエピタキシャル成長層の増大した格子定数に制限されるので、それが応力を受けるか又は歪むような組成を有することさえ可能である。活性層は、量子井戸を含む複数の層とすることができる。
直接バンドギャップ半導体においては、価電子帯における最大エネルギレベル及び導電帯における最小エネルギレベルが同じｋベクトルで発生するので、光を効率的に生成することができる。図１Ａは、価電子帯最大値が導電帯最小値と同じｋベクトルを有する、直接バンドギャップ半導体材料に関するエネルギ対ｋベクトルの簡素化された図である。実際は、エネルギ対ｋベクトル曲線は、そのような単純なものではない。図１Ｂは、導電帯に関する直接バンドギャップ最小値（Γ）及び間接バンドギャップ最小値（Ｌ及びＸ）を示す、直接バンドギャップ閃亜鉛鉱半導体に関するエネルギ対ｋベクトル図である。Γ最小値は、電子が価電子帯と導電帯の間のギャップにわたって直接バンドギャップ移行を作り出して光を生成するように、Ｌ又はＸ最小値よりも小さいエネルギ時のものでなければならない。Ｘ又はＬ最小値がΓエネルギレベルよりも低いエネルギレベル時のものであったとすれば、キャリア母集団の増大が間接バンドギャップ移行に関わり、光は生成されないであろう。
本出願人は、ＧａＡｓ成長基板の格子定数に一致するようにｙ＝０．４８の時の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのＬＥＤの熱的性能が悪い場合に対して以下の３つの理由を発見した。
１．Ｌ最小値時のキャリア母集団は、温度と共に増大し、直接バンドギャップ移行に関わる電子が少なくなる。
２．ｐ型ＡｌＩｎＰ：Ｍｇ上部閉じ込め層によってもたらされた相対的に浅い導電帯バリアにわたってＡｌＩｎＧａＰ活性層からの温度上昇による電子漏れの増加がある。
３．温度が上がるとより活性になる非放射性「Ｈａｌｌ−Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅｅｄ」再結合の増加による温度上昇に伴う放射性再結合の割合の低下がある。
本出願人は、上述の理由＃１が温度感受性を支配すると判断した。上述の問題の各々は、活性層のＡｌ含量（すなわち、ｘ）が増加する時に悪化する。ｘの増加は、６５０ｎｍ（深紅色）から５６０ｎｍ（黄色／緑色）に発光波長を短くするのに必要である。更に、熱格子膨張は、発光ピーク波長（約０．１〜０．２ｎｍ／Ｋ）のかなりの赤方遷移をもたらすので、より高いＡｌ含量が、温度上昇時の効率的な測光作業に必要である。
本出願人は、異なる格子定数に対してキャリア濃度及び分布、発光波長、量子効率、及び（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのＬＥＤの温度依存性を分析し、この材料システムに対してΓ及びＬ最小値間のエネルギ分離が小さい（約１１０ｍｅＶ）と、Ｌ最小値が赤色（約６３０ｎｍ）ＬＥＤの温度依存性を支配することを発見した。すなわち、間接Ｌ最小値における高い電子母集団は、（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのＬＥＤの温度依存性の支配的な要因である。
従って、本出願人は、活性領域においてΓ及びＬ最小値の間のエネルギ分離を大きくして温度上昇に伴う間接バンドギャップ移行の割合を小さくし、従って、（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのＬＥＤの温度依存性を小さくする方法を追求した。
本出願人は、格子定数が増大したＡｌＩｎＧａＰ活性層は、Γ及びＬ最小値の間のエネルギ分離を大きくすることによってＬＥＤの温度依存性を実質的に小さくすることを発見した。上述のように、従来のＬＥＤのｙは、転位欠陥が相対的に少数になるように材料がＧａＡｓ成長基板の格子定数と一致させるために０．４８に設定される。ｙの値が高くなれば、ＧａＡｓ基板上に成長したＬＥＤ材料をもたらして容認できないほどの高い転位密度を有するであろう。
本発明の一実施形態では、本出願人は、ＧａＡｓよりも大きい格子定数を有するｙ＝０．５３の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのエピタキシャル層を用いてＬＥＤを形成する。目標赤色発光（約６３０ｎｍ）を達成するためには、Ａｌ含量の増大が必要であると考えられる（ｙ＝０．４８の場合は約８％であるのに対して、ｙ＝０．５３の場合は約２０％に）。ｙ＞０．４８である他の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰ材料もまた、温度依存性を小さくするために望ましい大きな格子定数を有するように操作することができる。
図２は、活性層が（ＡｌxＧａ1-x）0.47Ｉｎ0.53Ｐ（格子定数は、ＧａＡｓよりも大きい）の組成を有するＬＥＤ１８の一実施形態の断面図である。図２においては、基板１９上に成長層２０が形成されている。ＬＥＤ層を成長させるための様々な加工成長層及び基板に関して以下で説明する。成長層２０は、活性層を含む上に重なる層と同じか又はほぼ同じ格子定数を有する。ＩｎＧａＰバッファ層２１を成長層２０の上に成長させる。ｎ型ＡｌＩｎＰの下部閉じ込め層２２をバッファ層２１上に成長させる。ＡｌＩｎＰ閉じ込め層２２は、活性層のバンドギャップよりも高いバンドギャップを有する。複数の層を含むことができる（ＡｌxＧａ1-x）0.47Ｉｎ0.53Ｐの活性層２４を閉じ込め層２２の上に成長させる。ＡｌＩｎＰのｐ型上部閉じ込め層２６を活性層２４の上に成長させる。高度にドープしたｐ型ＡｌＩｎＧａＰ接触層を層２６の上に設けることができる。ｐ金属電極及びｎ金属電極は、ＬＥＤを順バイアスして放射性再結合のために電子及び正孔を活性層２４の中に注入するために、それぞれ、ｐ及びｎ型閉じ込め層と電気接触させて形成される。
望ましい可視波長（例えば、赤色から緑色）が得られるように活性層２４におけるＡｌ含量を選択する。
ＡｌＩｎＰ閉じ込め層の格子定数は相対的に大きいので、格子定数がＧａＡｓのものに等しいＡｌＩｎＰと比較すると、閉じ込め層のバンドギャップエネルギは若干減少する（例えば、約１２ｍｅＶだけ）。これによって注入キャリアを活性層に閉じ込める際の閉じ込め層の有効性が小さくなるが、活性層の格子定数の増加による直接バンドギャップ再結合の増加は、この欠点を相殺して余るものである。
図３は、ｙが０．４８から０．５３に増大した時の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのＬＥＤの温度依存性の低下の予測を示すグラフである。外部及び内部量子効率がｐ−ｎ接合温度に対してプロットされている。
ＡｌＩｎＧａＰ活性層の組成は、スタック内の他のＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層の増大格子定数の組成に正確に一致するように選択する必要はない（例えば、活性層内のｙは、下に重なる層のｙに等しいものである必要はない）。例えば、ＡｌＩｎＧａＰ活性層が非常に薄い（又は、複数の薄い層で形成されている）場合、ＡｌＩｎＧａＰ活性層の組成は、その格子定数が下のエピタキシャル成長層の増大格子定数に制限されるので、許容不能な欠陥を有することなく活性層が応力を受けるか又は歪むように選択することができる。すなわち、活性領域内の活性発光層又は他の層は、下に重なるＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層に対して引張又は圧縮歪みの下で設けることができる。
図４は、（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰシステムを構成する構成材料に関するエネルギギャップ対格子定数の図である。好ましいＡｌＩｎＧａＰ材料の格子定数は、５．６５Åよりも大きく５．７３Åよりも小さい。これは、ＡｌＩｎＧａＰ活性層に応力又は歪みがない場合には、ｙ＞０．４８からｙ＜０．６６までの領域に対応する。
図５は、格子定数がＧａＡｓよりも大きいＡｌＩｎＧａＰ活性層を形成する１つの方法を示している。図５は、格子定数５．６５Åを有する開始ＧａＡｓ基板４０の断面図を示している。より大きい格子定数（例えば、５．７３Åまで）を有する成長層を作り出すために、格子定数がＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ層に対して望ましいものと同じになるまで段階的ＩｎxＧａ1-xＡｓバッファ層４２をＧａＡｓ基板４０上に成長させる。一例においては、ｘは、５．６９Åの格子定数を達成するために約１ミクロンの厚みにわたって０から０．０８まで漸変される。最大値は、約０．１８である。０．１８のｘは、約５．７３Åの格子定数を達成することになる。
別の実施形態では、この段階的な層は、インジウムがｙ＝０．４８から始まり０．６６まで増加するＩｎyＧａ1-yＰである。０．６６のｙは、約５．７３Åの格子定数を達成することになる。段階的な層の成長の詳細は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，２３２，１３８号に見出され、新しい材料システム、特にＡｌＩｎＧａＡｓ赤外線レーザ及びトランジスタで発光層を形成するための成長層の加工が説明されている。本発明においては、成長層を加工する理由は、新しい材料システムのためではなく、一般的に使用される材料システムに対する温度感受性の改善のためである。
残留歪みを小さくするために、Ｉｎの割合は、段階的な層上面の若干下の点まで上昇し、次に、厚みの残りが上面で目標とする格子定数を達成するように少量だけ減少する。
格子定数を上げるために望ましいＩｎxＧａ1-xＡｓバッファ層を成長させた後に、欠陥密度を小さくするためにＩｎＧａＡｓ（又はＩｎＧａＰ）の均一なキャップ層４３を成長させることができる。均一層４３は、段階的バッファ層４２内で達成される最大Ｉｎ組成を若干下回るＩｎ組成を有することができる。次に、ＩｎＧａＰバッファ層４４、続いてｎ型ＡｌＩｎＰ閉じ込め層４６を成長させる。段階的バッファ層４２がＩｎyＧａ1-yＰである場合、キャップ層４３は、ＩｎＧａＰバッファ層４４とすることができる。次に、可視赤色光線又はより短い波長を発するための（ＡｌxＧａ1-x）0.47Ｉｎ0.53Ｐのような望ましい増大格子定数を有する発光ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ活性層４８を成長させる。特定の成長層（例えば、キャップ層又は段階的な層）に対する活性層内の適切なインジウム含量は、歪んだ又は応力を受けた活性層が許容可能である場合には、単一の適切な量のみとは対照的に、ある一定の範囲を有することができる。一実施形態では、波長は、６３０ｎｍ（赤色）と５６０ｎｍ（緑色）の間である。次に、ｐ型ＡｌＩｎＰ上部閉じ込め層５０を成長させる。次に、高ドープｐ型（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｐ接触層を層５０の上に設けることができる。また、閉じ込め層の他の組成を用いることもできる。
任意的に、厚い（約５〜１００ｕｍ）透明窓層、例えば、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、又はＡｌＧａＡｓをＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ層の上方に成長させることができる。この層は、ＬＥＤ装置のために光抽出量及び電流波及の増加をもたらすものであり、下に重なる層に格子一致させる必要はない。
次に、適切なｎ及びｐ金属接点を上面及び底面上に形成する。ウェーハをダイスカットし、チップをパッケージ内に取り付けて作動可能なＬＥＤを形成する。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを形成する１つの方法は、本明細書において引用により組み込まれている、Ｋｒａｍｅｓ他に付与された米国特許第６，５２５，３３５号に説明されている。
ＬＥＤ層の格子定数は、許容不能な欠陥を引き起こすことなく均一なキャップ層４３のものと若干異なる場合がある。
ＧａＡｓ基板４０及び段階的ＩｎＧａＡｓ層４２（又は、段階的ＩｎＧａＰ層）がｐｎ接合のｎ側に電流を導電するために使用される場合には、それらの材料は、ｎドープされるであろう。代替的に、光吸収ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓ材料を除去して、下部閉じ込め層４６の下方に結合した透明基板で置き換えてもよい。この場合、完全に透明なＬＥＤチップが可能である。一実施形態では、ｐ及びｎ層をチップの同じ側で金属層で電気接触させてフリップチップを形成し、その場合、ｐ及びｎ金属接点は、次に、サブマウントに直接に結合される。フリップチップに関しては、本明細書において引用により組み込まれている、Ｋｅｒｎ他に付与された米国特許第６，２７４，３９９号に説明されている。ＬＥＤチップは、光抽出量の増加が得られる形状にすることができる。
図６Ａから図６Ｆは、（ＡｌxＧａ1-x）0.47Ｉｎ0.53Ｐのような望ましい活性層組成の格子定数に一致させた格子定数を有する成長層を加工する代替的方法を示している。上述のように、ＬＥＤエピタキシャル構造体内の薄い層の適切なインジウム含量は、ある一定の範囲内とし、同時に依然としてこの薄い層がベースエピタキシャル層及び成長層とほぼ同じ格子定数を有することを可能にすることができる。すなわち、このような薄い層は、引張歪み又は圧縮歪みが加わった状態とすることができる。特定の例は、ある一定の光の波長を生成するためにこのような層の所要Ａｌ含量を小さくする目的で１つ又は複数のＩｎ低減活性発光層を使用することである。
図６Ａにおいて、ＧａＡｓ基板６０（格子定数＝５．６５Å）は、その上にＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓの非常に薄い層６２をＭＯＣＶＤ又はＭＢＥによって成長させている。層６２のインジウム含量は、層６２がＧａＡｓ基板６０から剥離したとする時にその格子定数が５．６５Åよりも大きく、好ましくは５．６６から５．７３Åの範囲になるように選択される。この格子一致要件は、ＩｎyＧａ1-yＰの場合は０．４８＜ｙ＜０．６６、及びＩｎxＧａ1-xＡｓの場合は０＜ｘ＜０．１８の範囲に対応する。この層の厚みは、転位が発生するであろう限界厚みよりもそれが小さいように十分に低く選択される。一実施形態では、層６２の組成は、Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓであり、その厚みは約１００Åである。非常に薄いＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ層６２を成長させることにより、層は、５．６５Åの格子定数を有するが欠陥がほとんど無いように歪む（圧縮される）。欠陥密度が許容可能な範囲内である限り（すなわち、限界厚み限界値を超えない）、１００オングストロームよりも大きいか又は小さな厚みを用いることができる。
図６Ｂにおいては、気泡層を形成するために、水素６４がＧａＡｓ基板６０の上面に注入される。一実施形態では、１２５ｋｅＶのエネルギを用いて８ｘ１０Ｅ１６／ｃｍ2の注入線量でＨ＋イオンを注入する。
図６Ｃにおいては、キャリア基板６６（例えば、シリコン）には、その表面上に酸化物結合層６８が約０．１から２ミクロンの厚さまで形成（熱的成長又は堆積）されている。キャリア基板６６は、透明基板を含むあらゆる材料とすることができる。
図６Ｄにおいては、２つのウェーハを接触させ、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ層６２を酸化物層６８に結合する。層６２及び酸化物層６８が十分に平坦である場合、２つの層は、圧力下で温度が上がると結合することになる。
図６Ｅにおいては、不活性雰囲気において結合ウェーハを約５００℃又はそれよりも高く加熱し、水素ガスを膨張させて薄いＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ層６２をＧａＡｓ基板６０から剥離させる。酸化物６８は、剛体ではないので、層６２は、弛緩して（膨張して）５．６６と５．７３Åの間のその弛緩格子定数まで増大することになる。残りの構造体は、元のＧａＡｓ基板に比べて新しい（異なる）格子定数を有する新しい成長基板になる。
酸化物結合層６８は、ウェーハ結合境界面がＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ層６２を十分に弛緩させる場合は任意的である。
図６Ｆにおいては、薄いＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓバッファ層６２は、任意的に、成長によって延ばされ（層６２を安定化するために）、続いて、Ｉｎ量が格子一致バッファ層を作り出すように選択されたｎ型ＩｎＧａＰバッファ層７０を成長させる。バッファ層には他の組成も適切であると考えられる。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの閉じ込め及び活性層２２、２４、２６（図２及び図５に関して上述）をバッファ層７０上に成長させ、それによってＡｌＩｎＧａＰ活性領域２４をＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ層６２（基板として作用する）に格子一致させる。一部の層は、特に活性領域内では、引張歪み又は圧縮歪みが若干加わった状態であろう。任意的な高ドープＡｌＩｎＧａＰのｐ接触層７１をｐ閉じ込め層の上方に設けることもできる。
キャリア基板６６、酸化物層６８、成長層及びバッファ層６２及び７０（典型的に光を吸収する）の１つ又はそれよりも多くは、例えば、エッチング、研削、又はラッピングによって他の層と共に除去することができ、透明基板（例えば、ＧａＰ又はＳｉＣ）は、熱及び圧力を用いてｎ層２２に結合させることができる。透明基板の結合に関しては、引用により組み込まれている、Ｋｉｓｈ他に付与された米国特許第５，３７６，５８０号に説明されている。
上述の実施形態では、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓが成長層６２として指定されているが、成長層をＡｌＩｎＧａＰとすることも可能である。実際に、望ましい格子定数をもたらすと同時に活性層２４から発せられた光に対して透明のままであるＡｌＩｎＧａＰの組成を選択することが可能である。これが当て嵌まる時には、キャリア基板６６も透明であるように選択することができる（適切な基板としては、ＧａＰ、サファイア、ＳｉＣなどがある）。このような場合、基板、酸化物、及び成長層は、装置構造体内に残ることができ、ＬＥＤは、光を透明基板を通じて集めるフリップチップ素子として作製することができる（例えば図９Ｂ、ただし、層６６、６８、６２、７０の分離なし）。
図６Ａから図６Ｆのリフトオフ技術はまた、望ましい格子定数を有する成長層を加工するためにＩＩＩ−Ｖ族材料システム（例えば、ＧａＮ）で使用することができる。
図７Ａは、厚い（約５〜１００ｕｍ）透明窓層７３、例えば、ｐ＋ＡｌＩｎＧａＰ接触層７１の上方に成長させたＧａＰ、ＡｌＧａＰ、又はＡｌＧａＡｓを有する図６Ｆの構造体を示している。この層７３は、ＬＥＤ装置に対して光抽出及び電流波及の増加をもたらすものである。光抽出を更に改善するために、光吸収キャリア基板６６、酸化物層６８、ＩｎＧａＡｓ層６２、及びＩｎＧａＰ層７０は、ラッピング、研削、エッチング、又は他の適切な工程によって除去される。図７Ｂに示すように、次に圧力及び熱を用いて透明基板７６（例えば、ｎ−ＧａＰ）をｎ−ＡｌＩｎＰ層２２に結合する。次に、ｐ電極７８を導電窓層７３上に形成し、ｎ電極７９を導電透明基板７６上に形成する。一実施形態では、ｎ電極７９は、窓層７３を通る光を反射させるミラーとして作用するように反射層（例えば、Ａｕ又はＡｇ）を含む。ｐ電極７８は、有意な量の光を阻止しないように形成される。ｐ電極７８は、非常に薄い金属層（例えば、金）を形成することによって透明にすることができ、又はｐ電極７８は、ほとんど表面区域を占めないように形成することができる。
図８Ａ及び図８Ｂは、窓層を形成するのではなく、ミラー／反射接点８０として特定される反射層を形成する実施形態を示している。ミラー／反射接点８０は、銀のような反射性金属又は分散ブラグ反射体（ＤＢＲ）とすることができる。支持基板８２は、各層にウェーハ結合される。支持基板８２は、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＳｉＣ、又はモリブデン、銅、銅タングステンのような金属、又は他の金属、又はその合金のような適切な熱係数を有するあらゆる導体材料とすることができる。金属ミラーをＬＥＤ層上に堆積させることができ、又はウェーハ結合の前に金属ミラーを最初に支持基板８２上に堆積させることができる。次に、適切なｐ及びｎ電極７８及び７９を形成する。ミラー／反射接点８０は、光抽出を大きくするために光を上方に反射してＬＥＤから出すものである。
研削、ラッピング、又はエッチングによってキャリア基板６６を除去する代わりに、リフトオフ技術を用いることができる。このような工程においては、ＨＦのような湿式エッチング剤を用いて酸化物層６８をエッチングし、上に重なる構造体を持ち上げる。
酸化物以外のリフトオフ材料を使用してもよい。層間剥離層として注入水素を用いるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，３７２，６０９号に説明されており、この特許で説明されているいくつかの処理の詳細を本発明の技術に応用することができる。
図９Ａから図９Ｃは、両方の接点を同じ側にしてＬＥＤ構造体をフリップチップとして形成することができる方法を示している。図９Ａにおいては、層２４、２６、及び７１をエッチングして電気的接触のためにｎ−ＡｌＩｎＰ閉じ込め層２２を露出させる。次に、金属ｎ電極８３を形成してｎ−ＡｌＩｎＰ閉じ込め層２２と電気的に接触させ、ｐ電極８４を形成してｐ＋ＡｌＩｎＧａＰ層７１と接触させる。
図９Ｂにおいては、ｐ及びｎ電極は、パッケージ要素８７上で金属パッド８５及び８６に結合されている。これらの電極をパッケージ要素８７と結合した後に、キャリア基板６６及び層６８、６２、及び７０を除去することができる。バイア８８及び８９は、パッド８５及び８６をパッケージ要素８７上のｐ及びｎ電極９０及び９１に電気的に結合するものである。電極９０及び９１は、回路基板上のパッド又は別のパッケージ上のパッドに半田付けすることができる。
図９Ｃにおいては、ＬＥＤの上面（この例ではｎ−ＡｌＩｎＰ層２２）は、光抽出形態９２を有するように更に処理されている。このような形態としては、光出力を大きくするために、粗面化、又は秩序テクスチャのような他の技術、又は光結晶構造体を含むことができる。
実施形態の全てにおいて、「分散ブラグ反射体（ＤＢＲ）」スタックをＬＥＤ構造体内に形成し、活性層によって発せられた光を反射することができる。例えば、図７から図９においては、ＤＢＲスタックを活性層２４の上方又は下方、又は共振空洞ＬＥＤに対して下方又は上方に形成することができる。ＤＢＲは、発せられた光の波長を反射するように調整される。
上述の処理は、可視赤色光を発する温度感受性の低いＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを作り出すために用いられる。上述の技術を用いると、黄色光から緑色光を発するＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを生成することもできる。
本明細書で示した一部の実施例ではＡｌＩｎＧａＰ材料のある一定の組成及び格子定数を指定しているが、このような指定された組成及び格子定数は、本発明には要求されていない。例えば、ｙは、０．４８から０．６６の範囲でよく、ｘは、０から１．０の範囲とすることができる。
上述のＬＥＤ構造体は、表面装着型パッケージ又はあらゆる他のパッケージにパッケージ化することができる。図１０は、表面装着型パッケージの一実施形態の分解組立図である。ＬＥＤダイ９３は、サブマウント９４上に取り付けられる。金属放熱スラグ９５及び反射カップ６９は、成形リードフレーム９８の中に置かれる。成形リードフレーム９８は、例えば、ダイ９３上のｐ及びｎ金属接点までの電気経路をもたらす金属リード１００及び１０１回りに成形された充填プラスチック材料である。サブマウント９４の底面は、スラグ９５と結合される。ワイヤ（図示せず）が、ダイ９３の上部ｐ−金属（ＬＥＤはフリップチップではないと仮定する）と金属リード１００との間に結合され、ワイヤ（図示せず）が、ｎ層と電気接続するために金属スラグ９５と金属リード１０１の間に結合される。光学レンズ１０４を加えることができる。スラグ９５は、絶縁アルミニウム回路基板のようなパッケージが取り付けられた放熱板に直接に接触するように、リードフレーム９８の底部を通じて露出される。
多くの他の種類のパッケージを使用することができる。
本発明の特定的な実施形態を示して説明したが、本発明から逸脱することなくそのより広い態様において変更及び修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲に該当するそのような全ての変更及び修正をその範囲に包含するものとする。
光を効率的に生成するための直接バンドギャップをもたらす導電バンド端と価電子バンド端の例を示す図である。 光を効率的に生成するための直接バンドギャップをもたらす導電バンド端と価電子バンド端の例を示す図である。 ＧａＡｓよりも大きくて望ましいＡｌＩｎＧａＰ層の格子定数に等しい格子定数を有するように成長層を加工することによって形成された増大格子定数を有するＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの断面図である。 ｙが０．４８（ＧａＡｓと一致）から０．５３に増大された時の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰのＬＥＤの温度依存性の減少を示す図である。 ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの温度感受性を小さくするための５．６５オングストローム（ＧａＡｓの格子定数）から５．６５と５．７３Åの間までのＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの格子定数の本出願人の望ましい増大を示す、ＧａＡｓを含む様々な基板に対する格子定数対エネルギギャップの図である。 段階的ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＰ層の上に成長させた増大格子定数を有するＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの断面図である。 ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する加工成長層を形成し、その成長層上にＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層を成長させる時の様々な製造段階の１つでのＬＥＤ構造体の断面図である。 ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する加工成長層を形成し、その成長層上にＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層を成長させる時の様々な製造段階の１つでのＬＥＤ構造体の断面図である。 ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する加工成長層を形成し、その成長層上にＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層を成長させる時の様々な製造段階の１つでのＬＥＤ構造体の断面図である。 ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する加工成長層を形成し、その成長層上にＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層を成長させる時の様々な製造段階の１つでのＬＥＤ構造体の断面図である。 ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する加工成長層を形成し、その成長層上にＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層を成長させる時の様々な製造段階の１つでのＬＥＤ構造体の断面図である。 ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する加工成長層を形成し、その成長層上にＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層を成長させる時の様々な製造段階の１つでのＬＥＤ構造体の断面図である。 厚い上部窓を形成して（図６Ｆの段階の後）他の層と共に光吸収キャリア基板（例えば、シリコン）を除去し、任意的に透明基板で置き換える製造の様々な段階の１つでの別のＬＥＤ構造体の断面図である。 厚い上部窓を形成して（図６Ｆの段階の後）他の層と共に光吸収キャリア基板（例えば、シリコン）を除去し、任意的に透明基板で置き換える製造の様々な段階の１つでの別のＬＥＤ構造体の断面図である。 反射体（例えば、金属ミラー又はブラグ反射体）及び支持基板をｐ層の上で結合し、光吸収キャリア基板（例えば、シリコン）を他の層と共に除去する製造の様々な段階の１つでの別のＬＥＤ構造体の断面図である。 反射体（例えば、金属ミラー又はブラグ反射体）及び支持基板をｐ層の上で結合し、光吸収キャリア基板（例えば、シリコン）を他の層と共に除去する製造の様々な段階の１つでの別のＬＥＤ構造体の断面図である。 光吸収キャリア基板（例えば、シリコン）及び他の層を除去して装置をフリップチップとして形成し、チップの上面を光抽出形態を得るために更に処理（例えば、粗面化）する製造の様々な段階の１つでの別のＬＥＤ構造体の断面図である。 光吸収キャリア基板（例えば、シリコン）及び他の層を除去して装置をフリップチップとして形成し、チップの上面を光抽出形態を得るために更に処理（例えば、粗面化）する製造の様々な段階の１つでの別のＬＥＤ構造体の断面図である。 光吸収キャリア基板（例えば、シリコン）及び他の層を除去して装置をフリップチップとして形成し、チップの上面を光抽出形態を得るために更に処理（例えば、粗面化）する製造の様々な段階の１つでの別のＬＥＤ構造体の断面図である。 得られるＬＥＤのためのパッケージの一実施形態の分解組立図である。
符号の説明
１８ ＬＥＤ
１９ 基板
２０ 成長層
２２ 閉じ込め層
２４ 活性層

Claims (52)

  1. ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する成長層上に形成された第１の導電型の第１の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰエピタキシャル層と、
    前記ＧａＡｓの前記格子定数よりも大きくかつ前記成長層の前記格子定数にほぼ等しい格子定数を有するようにＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＰのあらゆる組合せを含む材料の１つ又はそれよりも多くの層を含み、可視光を放射する、前記第１の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長させた活性層と、
    前記活性層の上に成長させた第２の導電型の第２のエピタキシャル層と、
    を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）部分、
    を含むことを特徴とする発光素子。
  2. ０≦ｘ≦１．０及びｙ＞０．４８であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  3. 前記成長層は、段階的ＩｎＧａＡｓ層上に形成されたエピタキシャル層を含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  4. 前記成長層は、段階的ＩｎＧａＰ層上に形成されたエピタキシャル層を含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  5. 前記成長層は、ＧａＡｓ基板の上に成長させたＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓのエピタキシャル層を含み、該ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓ層は、該ＧａＡｓ基板の上に重なる時に歪み、次に該ＧａＡｓ基板から剥離された時にその格子定数を増大するように弛緩されたものであることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  6. 前記活性層は、歪まないことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  7. 前記活性層は、歪むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  8. 前記第１のエピタキシャル層は、ｎ型閉じ込め層であり、前記第２のエピタキシャル層は、ｐ型閉じ込め層であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  9. 前記第１のエピタキシャル層は、ＡｌＩｎＰ閉じ込め層であり、前記第２のエピタキシャル層も、ＡｌＩｎＰ閉じ込め層であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  10. 前記第２のエピタキシャル層の上に重なる反射材料を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  11. 前記第２のエピタキシャル層の上に重なる透明窓層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  12. 前記成長層は、ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させたＩｎＧａＰ層であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  13. 前記成長層は、ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させたＩｎＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  14. 前記成長層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  15. ｙは、約０．５３に等しいことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  16. 前記活性層の前記格子定数は、５．６６Åよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  17. 前記活性層の前記格子定数は、５．６６Åと５．７３Åの間であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  18. 前記可視光は、赤色光であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  19. 前記可視光は、黄色光であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  20. 前記可視光は、緑色光であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  21. 前記成長層は、ＩｎxＧａ1-xＡｓエピタキシャル層を含み、ただし、０＜ｘ＜０．１８であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  22. 前記成長層は、ＩｎyＧａ1-yＰエピタキシャル層を含み、ただし、０．４８＜ｙ＜０．６６であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  23. 前記第１のエピタキシャル層と前記活性層の間に少なくとも１つの介在エピタキシャル層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  24. 前記活性層と前記第２のエピタキシャル層の間に少なくとも１つの介在エピタキシャル層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  25. 前記活性層は、第１の表面と反対側の第２の表面とを有し、
    前記活性層の前記第１の表面に対向して形成された窓層、及び該活性層の前記第２の表面に対向する結合基板、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  26. 基板と、
    前記基板と前記活性層の間の反射体と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  27. 前記活性層の少なくとも１つの表面に対向する少なくとも１つの反射体を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  28. ＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する結晶成長層を第１の基板の上に形成する段階と、
    第１の導電型の第１の（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＰエピタキシャル層と、第２の導電型の第２のエピタキシャル層と、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＰのあらゆる組合せを含む材料の１つ又はそれよりも多くの層を含んで該第１及び第２のエピタキシャル層の間に配置された活性層とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）層を前記成長層の上に重ねて成長させる段階と、
    を含み、
    前記活性層は、前記ＧａＡｓの前記格子定数よりも大きくかつ前記成長層の前記格子定数にほぼ等しい格子定数を有し、
    前記活性層は、可視光を放射する、
    ことを特徴とする方法。
  29. ０≦ｘ≦１．０及びｙ＞０．４８であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  30. 結晶成長層を形成する段階は、ＧａＡｓ基板上に段階的ＩｎＧａＡｓ層を形成し、同時にＧａＡｓの前記格子定数よりも大きい望ましい格子定数が得られるまでインジウムの量を増加する段階を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  31. 結晶成長層を形成する段階は、ＧａＡｓ基板上に段階的ＩｎＧａＰ層を形成し、同時にＧａＡｓの前記格子定数よりも大きい望ましい格子定数が得られるまでインジウムの量を増加する段階を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  32. 結晶成長層を形成する段階は、
    ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰを含み、かつ前記ＧａＡｓの上に重なる時に歪むエピタキシャル層をＧａＡｓ基板の上に成長させる段階と、
    層間剥離層として作用するように水素を前記ＧａＡｓ基板内に注入する段階と、
    前記エピタキシャル層を前記第１の基板に結合する段階と、
    前記水素が前記エピタキシャル層を前記ＧａＡｓ基板から剥離させ、それによって前記歪んだエピタキシャル層が、該ＧａＡｓ基板から剥離された時に弛緩して前記成長層を含み、かつその格子定数を増大するように、該ＧａＡｓ基板を加熱する段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  33. 前記第１の基板の上に結合層を形成する段階、
    を更に含み、
    前記エピタキシャル層を前記第１の基板に結合する段階は、該エピタキシャル層を前記結合層に結合する段階を含む、
    ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  34. 前記第１のエピタキシャル層は、ｎ型閉じ込め層であり、前記第２のエピタキシャル層は、ｐ型閉じ込め層であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  35. 前記第１のエピタキシャル層は、ＡｌＩｎＰ閉じ込め層であり、前記第２のエピタキシャル層も、ＡｌＩｎＰ閉じ込め層であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  36. 前記第２のエピタキシャル層の上に重ねて反射材料を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  37. 前記第１の基板は、ＧａＡｓ基板であり、
    前記成長層は、前記ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させたＩｎＧａＰ層である、
    ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  38. 前記第１の基板は、ＧａＡｓ基板であり、
    前記成長層は、前記ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させたＡｌＩｎＧａＰ層である、
    ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  39. 前記第１の基板は、ＧａＡｓ基板であり、
    前記成長層は、前記ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させたＩｎＧａＡｓ層である、
    ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  40. ｙは、約０．５３に等しいことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  41. 前記活性層の前記格子定数は、５．６６Åよりも大きいことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  42. 前記活性層の前記格子定数は、５．６６Åと５．７３Åの間であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  43. 前記成長層は、ＩｎxＧａ1-xＡｓエピタキシャル層を含み、ただし、０＜ｘ＜０．１８であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  44. 前記成長層は、ＩｎyＧａ1-yＰエピタキシャル層を含み、ただし、０．４８＜ｙ＜０．６６であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  45. 前記第１のエピタキシャル層と前記活性層の間に少なくとも１つの介在エピタキシャル層を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  46. 前記活性層と前記第２のエピタキシャル層の間に少なくとも１つの介在エピタキシャル層を成長させる段階を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  47. 残りの構造体をそのままにして前記成長層と第１の基板を取り除く段階を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  48. 透明基板を前記残りの構造体に結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
  49. 前記活性層の表面に向いた反射層を形成する段階と、
    前記成長層と第１の基板を取り除く段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  50. 前記活性層の表面の上に窓層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  51. 電気接点を前記活性層の同じ側に形成してフリップチップＬＥＤ素子を形成する段階と、
    前記成長層と第１の基板を取り除く段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  52. 前記第１の基板は、透明であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
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