JP2007088404A - 発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】透明電極または金属電極パッド中の金属要素が活性層に拡散することを防ぎ、発光ダイオードの静電放電の機能を高め、発光ダイオードデバイスの操作信頼性および安定性を達成する発光ダイオードの製造方法を提供する。
【解決手段】先ず基板２００を準備する。基板２００上に発光エピタキシャル構造を形成し、この発光エピタキシャル構造は、基板２００上に順次堆積されている第１の導電型半導体層２０２、活性層２０４および第２の導電型半導体層２０６を含む。第２の導電型半導体層２０６の表面は少なくとも一つのエピタキシャル欠陥２０８を有し、第１の導電型半導体層２０２の電性と第２の導電型半導体層２０６の電性とは反対である。続いて、第２の導電型半導体層２０６中のエピタキシャル欠陥２０８内に絶縁層２１２を充填する。そして、第２の導電型半導体層２０６の表面上に透明電極層２１４を形成する。
【選択図】図５
【解決手段】先ず基板２００を準備する。基板２００上に発光エピタキシャル構造を形成し、この発光エピタキシャル構造は、基板２００上に順次堆積されている第１の導電型半導体層２０２、活性層２０４および第２の導電型半導体層２０６を含む。第２の導電型半導体層２０６の表面は少なくとも一つのエピタキシャル欠陥２０８を有し、第１の導電型半導体層２０２の電性と第２の導電型半導体層２０６の電性とは反対である。続いて、第２の導電型半導体層２０６中のエピタキシャル欠陥２０８内に絶縁層２１２を充填する。そして、第２の導電型半導体層２０６の表面上に透明電極層２１４を形成する。
【選択図】図５
Description
本発明は、発光ダイオードの製造方法に関し、特に大きな静電気放電（Electrostatic Discharge：ＥＳＤ）の発光ダイオードの製造方法に関する。
図１は、従来の発光ダイオード構造を示す断面図である。一般に発光ダイオード構造１１４の製作では、後で材料層を成長させるための基板１００を準備する。そして、エピタキシャル法によりＮ型半導体材料層１０２を形成して基板１００をカバーする。続いて、エピタキシャル法により活性層１０４を形成してＮ型半導体材料層１０２をカバーする。この活性層１０４は多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造である。同様に、エピタキシャル法により活性層１０４上にＰ型半導体材料層１０６を形成する。しかし、半導体材料の格子配列方向により、例えば、Ｐ型半導体材料層１０６中に形成されるエピタキシャル欠陥１０８などのエピタキシャル欠陥が半導体材料の表面構造中に発生することがよくあった。これらのエピタキシャル欠陥１０８は、例えば図１に示すようなＶ字形状である。
Ｐ型半導体材料層１０６が形成された後、堆積法により透明電極層１１０を形成してＰ型半導体材料層１０６をカバーする。Ｐ型半導体材料層１０６の表面構造にはエピタキシャル欠陥１０８が含まれているため、透明電極層１１０がＰ型半導体材料層１０６の凹凸表面上に堆積される。その後、堆積法により一部の透明電極層１１０上に金属電極パッド１１２を形成する。そして、高温アニール処理を行って、図１に示すような発光ダイオード構造１１４の製作を完了する。
しかしながら、Ｐ型半導体材料層１０６は、透明電極層１１０の材料が充填されているエピタキシャル欠陥１０８を有するため、導電材料が活性層１０４に接近したり、活性層１０４に接触したりすることがあった。高温アニール処理が次に行われると、透明電極層１１０および／または金属電極パッド１１２中の金属が活性層１０４中に拡散されることがあった。従って、低電流での動作電圧や高電圧で動作するとき、発光ダイオードデバイスの静電放電保護が作動せずに、発光ダイオードデバイスの信頼性および動作安定性が大幅に低減することがあった。
本発明の第１の目的は、透明電極または金属電極を堆積する前に、エピタキシャル層の表面の欠陥箇所に絶縁材料を充填することにより活性層と導電電極材料とを隔離し、後続の高温アニール工程において電極材料が活性層に拡散されることを防ぎ、デバイスが低操作電流または高操作電圧のときに静電気放電が起きなくなることを防ぐ発光ダイオードの製造方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、絶縁材料によりエピタキシャル材料層の表面欠陥を補修することにより、電極層と後で形成されるエピタキシャル材料層との間の接合表面を改善する発光ダイオードの製造方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、発光ダイオードの静電放電の機能を高め、デバイスの操作信頼性および安定性を強化する発光ダイオードの製造方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、絶縁材料によりエピタキシャル材料層の表面欠陥を補修することにより、電極層と後で形成されるエピタキシャル材料層との間の接合表面を改善する発光ダイオードの製造方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、発光ダイオードの静電放電の機能を高め、デバイスの操作信頼性および安定性を強化する発光ダイオードの製造方法を提供することにある。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、次の工程を含む。先ず基板を準備する。基板上に発光エピタキシャル構造を形成し、この発光エピタキシャル構造は、基板上に順次堆積されている第１の導電型半導体層、活性層および第２の導電型半導体層を含む。第２の導電型半導体層の表面は少なくとも一つのエピタキシャル欠陥を有し、第１の導電型半導体層の電性と第２の導電型半導体層の電性とは反対である。続いて、第２の導電型半導体層中のエピタキシャル欠陥内に絶縁層を充填する。そして、第２の導電型半導体層の表面上に透明電極層を形成する。
本発明の絶縁層の材料は、ＳｉＯ２などの酸化物またはＳｉ３Ｎ４などの窒化物である。絶縁層を形成する工程は、さらに次のステップを含む。第２の導電型半導体層の表面上に絶縁材料層を形成し、エピタキシャル欠陥以外の絶縁材料層を除去する除去ステップを行う。絶縁材料層を形成するステップは、電子ビーム蒸着法、熱酸化法、物理的気相成長法または化学的気相成長法を使用し、除去ステップにはウェットエッチング工程、ドライエッチング工程または化学機械研磨工程を使用する。
上述したことから分かるように、本発明の発光ダイオードの製造方法は絶縁材料をエピタキシャル欠陥中に充填することにより、エピタキシャル欠陥が絶縁エピタキシャル表面状態を有するように補修する。そのため、透明電極または金属電極パッド中の金属要素が活性層に拡散することを防ぎ、発光ダイオードの静電放電の機能を高め、発光ダイオードデバイスの操作信頼性および安定性を達成することができる。
本実施形態は、エピタキシャル材料層のエピタキシャル欠陥中に絶縁材料を充填することにより活性層を後で形成される導電材料層から隔離し、発光ダイオードデバイスの信頼性と安定性を改善することができる発光ダイオードの製造方法を提供する。本実施形態の説明をより詳細かつ完全にするため、以下の説明では図２〜図５を合わせて参照すること。
図２〜図５は、本発明の好適な一実施形態による発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。本実施形態では、発光ダイオードを製作するときに、材料層をその上に成長させるための基板２００を準備する。そして、例えばエピタキシャル法などにより、基板２００上に第１の導電型半導体層２０２を成長させる。第１の導電型半導体層２０２の材料は、ＧａＮ系材料またはＧａＰ系材料からなる。続いて、例えばエピタキシャル法などにより、第１の導電型半導体層２０２上に活性層２０４を成長させる。活性層２０４の材料は、ＧａＮ系材料またはＧａＰ系材料からなり、活性層２０４は多重量子井戸構造を含む。活性層２０４の成長が完了した後、例えばエピタキシャル法などで活性層２０４上に第２の導電型半導体層２０６を成長させる。第２の導電型半導体層２０６の材料は、ＧａＮ系材料またはＧａＰ系材料からなる。本実施形態において、第１の導電型半導体層２０２の電性と第２の導電型半導体層２０６の電性とは反対である。つまり、第１の導電型半導体層２０２がＮ型のとき、第２の導電型半導体層２０６はＰ型であり、反対に第１の導電型半導体層２０２がＰ型のとき、第２の導電型半導体層２０６はＮ型である。第１の導電型半導体層２０２、活性層２０４および第２の導電型半導体層２０６は、発光ダイオードの発光エピタキシャル構造を構成する。半導体材料の格子配列方向により、エピタキシャル層には一般にエピタキシャル欠陥が発生する。例えば、第２の導電型半導体層２０６の構造には少なくとも一つのエピタキシャル欠陥２０８が発生する。そのエピタキシャル欠陥２０８は、例えば図２に示すようなＶ字形状である。
図３に示すように、発光エピタキシャル構造が形成された後に、例えば、電子ビーム蒸着法、熱酸化法、物理的気相成長法または化学的気相成長法などにより、絶縁材料層２１０を形成して第２の導電型半導体層２０６の表面をカバーし、第２の導電型半導体層２０６の表面構造中のエピタキシャル欠陥２０８を充填する。本実施形態において、絶縁材料層２１０の材料は、二酸化ケイ素などの酸化物または窒化ケイ素などの窒化物である。この絶縁材料層２１０の厚みは、約１００〜５０００Åの間であることが好ましい。
続いて、絶縁材料層２１０上に除去ステップを行い、図４に示すように、絶縁材料層２１０の一部を除去してエピタキシャル欠陥２０８中に絶縁材料層２１０を残す。本発明の好適な一実施形態の除去ステップには、エッチバック工程または化学機械研磨工程が含まれる。そして、このエッチバック工程では、ドライエッチング技術またはウェットエッチング技術を使用する。エッチバック工程において、高選択性エッチャントおよび高負荷効果を適用して適当なオーバーエッチングを行う。これにより第２の導電型半導体層２０６の表面上からエピタキシャル欠陥２０８を除く絶縁材料層２１０を完全に除去し、エピタキシャル欠陥２０８中に絶縁層２１２を形成して活性層２０４と後で蒸着される導電材料とを絶縁する。ウェットエッチング技術を採用するときは、ＮＨ４Ｆ ＢＯＥまたはＨＦなどのエッチャントを使用する。ドライエッチング技術を利用するときは、誘導結合型プラズマエッチング装置を使用して誘導結合型プラズマエッチングを行うか、反応性イオンエッチング装置を使用して反応性イオンエッチングを行う。化学機械研磨工程を利用するときは、終点検知方法により研磨工程を監視して研磨が過剰になることを防ぎ、研磨終点に到達したときに適当なオーバー研磨処理を行うことにより、エピタキシャル欠陥２０８を除く第２の導電型半導体層２０６の表面上に絶縁材料層２１０が残留しないように完全に除去することができる。
本実施形態の特徴は、発光ダイオードの発光エピタキシャル構造が完成した後に、エピタキシャル構造のエピタキシャル欠陥へ絶縁材料を充填することにより、活性層を後で形成される導電材料と効果的に隔離してデバイスの電気的安定性を強化することにある。
エピタキシャル欠陥２０８中に絶縁層２１２を充填した後、例えば化学的気相成長法などにより、透明電極層２１４を形成して第２の導電型半導体層２０６の表面をカバーすると共に、エピタキシャル欠陥２０８中を充填して絶縁層２１２をカバーする。透明電極層２１４の材料は、例えばＩＴＯまたはＺｎＯである。エピタキシャル欠陥２０８の一部が絶縁層２１２により填補されているため、透明電極層２１４は従来技術のものより表面がスムースに形成される。続いて、例えば蒸着法などにより、一部の透明電極層２１４上に金属電極パッド２１６を形成する。続いて、高温アニール処理を行い、図５に示すように、透明電極層２１４と金属電極パッド２１６との間の電気的接触を改善して発光ダイオード構造２１８の製作を完了する。
第２の導電型半導体層２０６のエピタキシャル欠陥２０８に絶縁層２１２を充填すると、透明電極層２１４と活性層２０４とを効果的に隔離することができる。これにより、アニール処理を行うときに、透明電極層２１４中の例えばＩｎやＳｎなどの金属要素や金属電極パッド２１６中の金属要素が活性層２０４中に拡散することを防止することができる。これにより、発光ダイオード構造２１８の電気的品質を大幅に改善し、発光ダイオードデバイスの信頼性および安定性をさらに向上させることができる。透明電極層２１４および金属電極パッド２１６の金属要素が活性層２０４中に拡散されないため、発光ダイオードデバイスが低電流や高電圧で操作されるときに静電気放電が起きなくなることを防ぐことができる。
ここで注意しなければならないことは、本実施形態の製造技術は、垂直導電構造の発光ダイオードデバイスや水平導電構造の発光ダイオードデバイスにも適用することができるという点である。
上述したことから分かるように、本実施形態は、透明電極や金属電極を蒸着する前に、エピタキシャル層の表面欠陥に絶縁材料を充填するため、活性層と電極材料とを効果的に隔離し、活性層に電極材料が拡散することを防ぎ、発光ダイオードデバイスが低電流または高電圧で操作されるときに静電気放電が起きなくなることを防ぐことができるという長所を有する。
本実施形態は、絶縁材料を使用してエピタキシャル表面中の欠陥を修復することができるため、後で形成される電極層とエピタキシャル材料層との間の接合表面状態を改善することができるというもう一つの長所を有する。
本実施形態は、発光ダイオードの電気的品質を向上させ、デバイスの操作信頼性および安定性を達成することができるというさらにもう一つの長所を有する。
本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
２００ 基板
２０２ 第１の導電型半導体層
２０４ 活性層
２０６ 第２の導電型半導体層
２０８ エピタキシャル欠陥
２１０ 絶縁材料層
２１２ 絶縁層
２１４ 透明電極層
２１６ 金属電極パッド
２１８ 発光ダイオード構造
２０２ 第１の導電型半導体層
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２０８ エピタキシャル欠陥
２１０ 絶縁材料層
２１２ 絶縁層
２１４ 透明電極層
２１６ 金属電極パッド
２１８ 発光ダイオード構造
Claims (10)
- 基板を準備する工程と、
第１の導電型半導体層、活性層および表面に少なくとも一つのエピタキシャル欠陥を有して前記第１の導電型半導体層と反対の電性を有する第２の導電型半導体層が順次堆積されている発光エピタキシャル構造を前記基板上に形成する工程と、
前記第２の導電型半導体層中の前記エピタキシャル欠陥内に絶縁層を充填する工程と、
前記第２の導電型半導体層の表面上に透明電極層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 前記第１の導電型半導体層および前記第２の導電型半導体層の材料は、ＧａＮ系材料およびＧａＰ系材料からなる群から選択することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記絶縁層の材料は、酸化物および窒化物からなる群から選択することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記絶縁層の材料は、ＳｉＯ２およびＳｉ３Ｎ４からなる群から選択することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記絶縁層を形成する工程は、
前記第２の導電型半導体層の表面上に絶縁材料層を形成するステップと、
前記エピタキシャル欠陥以外の前記絶縁材料層を除去する除去ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記絶縁材料層の厚みは、１００〜５０００Åの間であることを特徴とする請求項５記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記除去ステップは、ウェットエッチング工程、ドライエッチング工程または化学機械研磨工程を含むことを特徴とする請求項５記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記ウェットエッチング工程を行う場合、ＮＨ４Ｆ ＢＯＥまたはＨＦを含むエッチャントを使用し、
前記ドライエッチング工程を行う場合、誘導結合型プラズマエッチング装置または反応性イオンエッチング装置を使用することを特徴とする請求項７記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記絶縁材料層を形成するステップは、電子ビーム蒸着法、熱酸化法、物理的気相成長法または化学的気相成長法を使用することを特徴とする請求項５記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記透明電極層を形成する工程の後に、
前記透明電極層上に金属電極パッドを形成する工程と、
アニール処理を行う工程と、
を行うことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
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