JP2008078603A - パターン化されたサファイア基板および発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

パターン化サファイア基板の製造方法を提供する。本製造方法は、以下の処理を含んでいる。最初に、サファイア基板を準備し、そのサファイア基板上にマスク層を形成する。ここで、適切なパターンを有するそのマスク層は、サファイア基板の一部を露出させている。次いで、ウェットエッチング処理を行い、サファイア基板の露出部分を除去する。このウェットエッチング処理でのエッチング剤には、硫酸および硫酸とリン酸との混合物が含まれる。次に、マスク層を除去し、パターン化サファイア基板を形成する。さらに、発光ダイオードの製造方法を提供する。
【選択図】図１Ｄ

Description

本発明は、発光デバイスの製造方法、特にＧａＮ層を成長させるためのパターン化されたサファイア基板の製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、種々の信号機、自動車に搭載される電子製品、液晶ディスプレイのバックライトモジュール、および一般的な照明デバイスで主に使われている。可視光線の発光が可能なＬＥＤを製造するための従来の材料には、ＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＮからなるＩＩＩ−Ｖ化合物のグループが含まれる。ＡｌＧａＩｎＰは、赤色光、橙色光、および黄色光を発するＬＥＤで使われる。ＧａＮは、緑色光、青色光および紫外光を発するＬＥＤで使われる。ＧａＮ結晶は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板の上に形成される。しかしながら、サファイア格子とＧａＮ結晶格子との間の不整合により、発光ダイオードにおいてＧａＮ結晶の高密度の貫通転位が発生する。貫通転位が発生すると、光出力および耐久寿命は減少し、またリーク電流は増加する。

アシュビー（Ａｓｈｂｙ）らは、予めパターン化されたサファイア基板を使用して、ＧａＮおよびＡｌＧａＮを成長させることで、貫通転位を減少させた。予めパターン化されたサファイア基板は、平行トレンチパターンを形成するフォトリソグラフィー処理およびドライエッチング処理によって製造される。トレンチパターン、および後に他の幾何学図形のパターンをもつサファイア基板は、一般にパターン化サファイア基板（ＰＰＳ）と呼ばれている。次いで、緑色光、もしくは青色光、もしくは紫外光を発光するＬＥＤを形成するために、複数の半導体層がサファイア基板の上に連続的に形成される。この方法は、ＧａＮ結晶における貫通転位の密度を効率的に減少させることができ、一方、エッチングされたサファイアの端部からの多数の光反射のためにＬＥＤから放出される光の出力を増加させることができる。

しかしながら、サファイアは、高い化学的安定性および高い硬度を有するので、サファイア基板の上に一般的なエッチング処理でパターンを形成することは難しい。例えば、ドライエッチング処理は、多くのパラメータをもち、エッチング速度は低く、コストは高い。さらに基板にダメージおよび歪みを本質的に与える。一方、レーザーを利用したエッチングは、複雑なパターンを形成するのに適していない。したがって当業者は、高品質、低コスト、および高いエッチング速度を備える、パターン化サファイア基板の製造方法を見出す必要がある。

本発明は、上記のエッチング処理を簡素化し、エッチング処理のコストを抑え、エッチング処理の速度を高めるような、パターン化サファイア基板の製造手法に関する。

本発明は、さらに光の出力およびＬＥＤの外部量子効率を向上させるＬＥＤを製造する方法に関する。

上記、もしくは他の利点を実現するために、本発明は、パターン化サファイア基板の製造方法を提供する。この方法では、最初にサファイア基板を準備し、次にマスク層をサファイア基板の上に形成する。マスク層は、サファイア基板の一部を露出させている。次いで、第１のウェットエッチング処理を行い、サファイア基板の露出した部分を取り除く。ここで、第１のエッチング処理におけるエッチング剤は硫酸を含む。次いで、マスク層が除去される。

本発明の１つの実施形態において、上記の第１のウェットエッチング処理におけるエッチング剤は、さらにリン酸を含む。なお、第１のウェットエッチング処理におけるエッチング剤では、硫酸の組成比が、リン酸の組成比より大きい。さらに、第１のウェットエッチング処理を行う際、第１のウェットエッチング処理のエッチング剤の温度は、２００℃と３５０℃の間である。

本発明の１つの実施形態において、マスク層の材料は、酸化ケイ素である。なお、マスク層を取り除く上記の方法は、第２のウェットエッチング処理を行うことである。ここで、第２のウェットエッチング処理におけるエッチング剤は、フッ化水素酸を含む。

本発明の１つの実施形態において、マスク層を形成するための上記の方法は、最初にサファイア基板の上にマスク材料層を形成し、次にパターン化されたフォトレジスト層を形成することである。ここで、そのフォトレジストパターンは、マスク材料層の一部を露出させている。そして、マスク材料層の露出部分、次いでフォトレジストパターンを除去する。

本発明の１つの実施形態において、マスク層を形成するための上記の方法は、サファイア基板の上に最初にフォトレジストパターンの層を形成することである。ここで、そのフォトレジストパターンは、サファイア基板の一部を露出させている。次に、マスク材料層をフォトレジストパターンの上に形成する。次いで、フォトレジストおよびその上のマスク材料層の一部をリフトオフ法によって除去する。

上記の目的または他の目的を達成するために、本発明は、ＬＥＤの製造方法を提供する。この方法は、最初にサファイア基板を準備し、次にマスク層をサファイア基板の上に形成する。ここで、そのマスク層は、少なくとも１つの開口部を備え、その開口部はサファイア基板の一部を露出させている。次いで、第１のウェットエッチング処理を行い、サファイア基板の露出した部分を除去する。ここで、第１のエッチング処理でのエッチング剤は、硫酸を含む。次に、マスク層を除去し、そしてｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をサファイア基板の上に順次形成する。

本発明の１つの実施形態において、開口部のパターンには、線状、円形状、多角形状が含まれる。

本発明の１つの実施形態において、マスク層は複数の開口部を有し、開口部のパターンには、平行トレンチまたは交差トレンチが含まれる。

本発明は、パターン化サファイア基板を製造するプロセスを簡素化しており、特にエッチング処理のコストの削減、エッチング速度の向上を実現している。

本発明のさらなる理解を提供するために図面を添付する。これらの図面はこの明細書の一部に組み込まれ、そしてこの明細書の一部を構成する。これらの図面は、本発明の実施形態を図示しており、本文と共に、本発明の原理を説明するのに役立つものである。

サファイア基板のエッチング処理を簡素化し、エッチング処理のコストを抑え、そしてエッチング速度を高めるために、本発明は、ウェットエッチング処理を使ったパターン化サファイア基板の製造方法を提供する。本明細書の以下において、上記のウェットエッチング処理は、他のウェットエッチング処理と区別するために「第１のウェットエッチング処理」と表記する。第１のウェットエッチング処理では、エッチング剤として純粋な硫酸または硫酸とリン酸とを含む混合物を使用する。サファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３）をエッチングするためのエッチング剤として硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）およびリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）を使用する際のメカニズムは、それぞれ次の式（１）および式（２）で示される。

Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２ＳＯ_４→Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３＋３Ｈ_２Ｏ・・・（１）
Ａｌ_２Ｏ_３＋２Ｈ_３ＰＯ_４→２ＡｌＰＯ_４＋３Ｈ_２Ｏ・・・（２）
この実施形態において、エッチング剤が純粋な硫酸ではなく硫酸とリン酸との混合物であるなら、硫酸の組成比がリン酸の組成比より大きい方が好ましい。なお、第１のエッチング処理を行う前には、エッチング剤の温度が２００℃から３５０℃であるべきである。ただし、ここで述べた組成比およびエッチング剤の温度は好ましい実施例であり、これは本発明の範囲を限定するものではない。特に、第１のエッチング処理のエッチング選択性は、エッチング剤の温度およびエッチング剤の中のリン酸の組成比によって主に決定されるため、エッチング剤の温度およびリン酸と硫酸との組成比は、要求される条件に応じて調整することができる。したがって、上記の製造条件により、本発明の範囲が限定されることはない。

図１Ａから図１Ｆを用いて、本発明におけるＬＥＤを製造するための工程を明確に紹介する。図１Ａから図１Ｅは、本発明の１つの実施形態であるパターン化サファイア基板製造方法の工程を示すフローチャートである。図１Ｆは、図１Ｅに示したパターン化サファイア基板上のＬＥＤの構造を示すフローチャートである。

図１Ａを参照して分かるように、最初に、サファイア基板１００を準備する。次いで、サファイア基板１００の上にマスク材料層１０２を形成する。マスク材料層１０２を形成する方法は、化学蒸着法（ＣＶＤ）または物理蒸着法（ＰＶＤ）である。マスク材料層１０２の材料は、酸化ケイ素のようなフィルム材料である。酸化ケイ素を用いれば、硫酸とリン酸との高温混合によってフィルム材料がダメージを受けるのを防ぐことができる。次に、フォトレジストパターン１０４をマスク材料層１０２の上に形成する。ここで、フォトレジストパターン１０４は、マスク材料層１０２の一部を露出させている。フォトレジストパターン１０４の形成は、フォトリソグラフィー処理によって行う。

次に、図１Ｂを参照して分かるように、フォトレジストパターン１０４をマスクとして使用して、マスク材料層１０２の露出した部分を除去する。マスク材料層１０２の露出した部分の除去は、ドライエッチング処理またはウェットエッチング処理によって行う。続いて、図１Ｃを参照して分かるようにフォトレジストパターン１０４を除去する。フォトレジストパターン１０４の除去は、ウェットフォトレジストストライピング処理によって行う。ここで、ウェットフォトレジストストライピング処理の溶媒には、アセトンが含まれる。こうして、マスク層１０２ａがサファイア基板１００の上に形成される。ここで、マスク層１０２ａは、この後に行うサファイアのエッチング処理におけるマスクとして使用される。

しかしながら、マスク層１０２ａを形成するための方法は、上記方法の範囲に限定されない。特に、別の実施形態においては、マスク層１０２ａを形成するための方法は、最初にサファイア基板１００上にフォトレジストパターンを形成することである。ここで、そのフォトレジストパターンは、サファイア基板１００の一部を露出させている。次に、マスク材料層をフォトレジストパターンおよびサファイア基板１００の露出した部分の上に形成する。次いで、フォトレジストパターンおよびその上のマスク材料層の一部をリフトオフ法によって除去する。上記の工程を経て、マスク層１０２ａが形成される。

図２から図５は、サファイア基板およびマスク層を示す上面図である。図１Ｃは、図２、図３、図４および図５のＩ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩ、ＩＩＩ−ＩＩＩおよびＩＶ−ＩＶの線に沿っての概略的断面図である。図２から図５を参照して、以下の記載ではマスク層の好ましいパターンを具体的に説明する。

図２を参照して分かるように、マスク層１０２ａは、少なくとも１つの開口部１０２ｈを備えている。開口部１０２ｈは、サファイア基板１００の一部を露出させている。開口部１０２ｈは、平行トレンチ（図２参照）、交差トレンチ（図３参照）、多角形状（図４参照）または円形状（図５参照）をとることが可能である。図２から図５における開口部１０２ｈは、一般に公知のパターンである。ただし、本発明は、上記のパターンの範囲に限定されない。言い換えれば、開口部１０２ｈのパターンは、適切に調整することができる。例えば、開口部１０２ｈは、三角形、同心円の線状、または不規則な曲線で囲まれた形状であってもよい。次のプロセスにおいて、開口部１０２ｈのパターンをサファイア基板１００に転写し、パターン化サファイア基板を形成する点は着目すべきである。パターン化サファイア基板は、ＬＥＤの製造に使われる。開口部１０２ｈのパターンは、ＬＥＤの品質および外部量子効率を決定する。このことについて以下で説明する。

図１Ｄを参照して分かるように、マスク層１０２ａを形成した後、上記の第１のウェットエッチング処理を行ってサファイア基板１００の露出した部分を除去し、パターン化サファイア基板１００ａを形成する。本実施形態では、第１のウェットエッチング処理を行った後、トレンチ１００ｇがパターン化サファイア基板１００ａの表面上に形成される。トレンチ１００ｇの切断面は、非対称パターンまたはＵ字形やＶ字形のような対称パターンである。しかしながら、トレンチ１００ｇの切断面は、サファイア基板１００の結晶方向により決定されるので、トレンチ１００ｇの切断面は、Ｖ字形に限定されない。パターン化サファイア基板１００ａの上面図において、トレンチ１００ｇのパターンおよび配置が、開口部１０２ｈのパターンおよび配置と同じであることは明らかである。

次いで、図１Ｅを参照して分かるようにマスク層１０２ａを除去する。マスク層１０２ａを除去する方法には、例えば、第２のウェットエッチング処理を行うことが含まれる。第２のウェットエッチング処理でのエッチング剤は、マスク層１０２ａを除去することができる酸である。例えば、マスク層１０２ａの材料が酸化ケイ素である場合、フッ化水素酸がエッチング剤として使用される。エッチング剤には希釈されたフッ化水素酸が含まれることは、当事者には公知である。ここまでで、パターン化サファイア基板を製造する処理が終了する。

次に、図１Ｆを参照して分かるようにＬＥＤ２００をパターン化サファイア基板１００ａの上に形成する。ＬＥＤ２００は、少なくともｎ型半導体層２０２、発光層２０４およびｐ型半導体層２０６から成る。ｎ型半導体層２０２、発光層２０４およびｐ型半導体層２０６はパターン化サファイア基板１００ａの上に連続的に積層される。

ＬＥＤ２００がパターン化サファイア基板１００ａの上に形成されることに着目すべきである。パターン化サファイア基板１００ａは、トレンチ１００ｇを備えている。従来技術のＬＥＤと比較して、本発明の製造方法は、ｎ型半導体層２０２における貫通転位の密度を効率的に減らすことができる。さらに、設計者は、ＬＥＤ２００の外部量子効率が向上するよう開口部１０２ｈのパターンおよび配列を調節することができる。特に、開口部を適切なパターンとし、開口部１０２ｈを周期的な配置とすることで、サファイアとｎ型半導体層２０２との間においてＬＥＤ２００から発光した緑色光、青色光または紫外光の特別な反射を生じさせることができる。それにより、ＬＥＤ２００の光出力をさらに増強できる。

概略すれば、本発明のパターン化サファイア基板の製造方法は、少なくとも次の利点を有する。

１．ドライエッチング処理と比較して、第１のウェットエッチング処理のパラメータが少ないので、本発明の製造方法は、サファイア基板をエッチングする工程を簡素化することができる。本発明のウェットエッチング法はまた、ドライエッチングにより生じるダメージおよび歪みを防ぐ。その上、本発明は高価なドライエッチング装置を使用しないので、エッチング処理のコストを抑えることができる。

２．第１のウェットエッチング処理のエッチング速度は、毎分約１μｍである。

３．第１のウェットエッチング処理を使って、サファイア基板上に大きい面積の均一で規則的なパターンを形成することができる。

４．第１のウェットエッチング処理は、大量のサファイア基板（ウエハ）をエッチングするのに同様の処理条件を使うことができる。そのため、第１のウェットエッチング処理を行うことで、パターン化サファイア基板は、大規模に生産され、そして同一の品質を有することが可能である。ドライエッチング処理は、真空チャンバーの空間および処理実行時間で制限されるため、第１のウェットエッチング処理より能力が低い。

本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本発明の構造に種々の修正および変形が実施され得ることは、当業者には明白である。以上のことを考慮して、前述の請求項とそれらの等価の範囲に入る限り、本発明は、本発明の修正および変形を包含していることが意図されている。

本発明の１つの実施形態のパターン化サファイア基板の製造方法の工程を示すフローチャートである。 本発明の１つの実施形態のパターン化サファイア基板の製造方法の工程を示すフローチャートである。 本発明の１つの実施形態のパターン化サファイア基板の製造方法の工程を示すフローチャートであり、図２のＩ−Ｉ、図３のＩＩ−ＩＩ、図４のＩＩＩ−ＩＩＩ、および図５のＩＶ−ＩＶに沿った概略的断面図である。 本発明の１つの実施形態のパターン化サファイア基板の製造方法の工程を示すフローチャートである。 本発明の１つの実施形態のパターン化サファイア基板の製造方法の工程を示すフローチャートである。 図１Ｅにおけるパターン化サファイア基板の上にＬＥＤを形成する工程を示すフローチャートである。 サファイア基板およびマスク層を示す上面図である。 サファイア基板およびマスク層を示す上面図である。 サファイア基板およびマスク層を示す上面図である。 サファイア基板およびマスク層を示す上面図である。

符号の説明

１００ サファイア基板
１００ａ パターン化サファイア基板
１００ｇ トレンチ
１０２ マスク材料層
１０２ａ マスク層
１０２ｈ 開口部
１０４ フォトレジストパターン
２００ ＬＥＤ
２０２ ｎ型半導体層
２０４ 発光層
２０６ ｐ型半導体層

Claims (18)

1. サファイア基板を準備する工程と、
   前記サファイア基板上に、前記サファイア基板の一部を露出させるマスク層を形成する工程と、
   エッチング剤が硫酸を含む第１のウェットエッチング処理を行い、前記サファイア基板の露出部分を除去する工程と、
   前記マスク層を除去する工程と、
   を有する、パターン化されたサファイア基板の製造方法。
2. 前記第１のウェットエッチング処理の前記エッチング剤がさらにリン酸を含む、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記第１のウェットエッチング処理の前記エッチング剤において、硫酸の組成比がリン酸の組成比より大きい、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記第１のウェットエッチング処理を行うとき、前記第１のウェットエッチング処理の前記エッチング剤の温度が２００℃と３５０℃の間である、請求項３に記載の製造方法。
5. 前記マスク層を構成する材料が酸化ケイ素である、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記マスク層を除去する方法が、第２のウェットエッチング処理を実行することであり、前記第２のウェットエッチング処理でのエッチング剤がフッ化水素酸を含む、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記マスク層を形成する方法が、
   前記サファイア基板上にマスク材料層を形成する工程と、
   前記マスク材料層の上に前記マスク材料層の一部を露出させるフォトレジストパターンを形成する工程と、
   前記マスク材料層の露出部分を除去する工程と、
   前記フォトレジストパターンを除去する工程と、
   を有する、請求項５に記載の製造方法。
8. 前記マスク層を形成する方法が、
   前記サファイア基板上に前記サファイア基板の一部を露出させるフォトレジストパターンを形成する工程と、
   前記フォトレジストパターンの上および前記サファイア基板の露出部分の上にマスク材料層を形成する工程と、
   前記フォトレジストパターンとその上の前記マスク材料層の一部とをリフトオフ法により除去する工程と、
   を有する、請求項５に記載の製造方法。
9. サファイア基板を準備する工程と、
   前記サファイア基板の一部を露出させる開口部を少なくとも一つ有するマスク層を前記サファイア基板上に形成する工程と、
   エッチング剤が硫酸を含む第１のウェットエッチング処理を行い、前記サファイア基板の露出部分を除去する工程と、
   前記マスク層を除去する工程と、
   引き続いて前記サファイア基板上にｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を形成する工程と、
   を有する、発光ダイオードの製造方法。
10. 前記第１のウェットエッチング処理の前記エッチング剤がさらにリン酸を含む、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記第１のウェットエッチング処理での前記エッチング剤において、硫酸の組成比がリン酸の組成比より大きい、請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記第１のウェットエッチング処理を行うとき、前記第１のエッチング処理の前記エッチング剤の温度が２００℃と３５０℃の間である、請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記マスク層を構成する材料が酸化ケイ素である、請求項９に記載の製造方法。
14. 前記マスク層を除去する方法が、第２のウェットエッチング処理を実行することであり、前記第２のウェットエッチング処理のエッチング剤がフッ化水素酸を含む、請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記マスク層を形成する方法が、
    前記サファイア基板上にマスク材料層を形成する工程と、
    前記マスク材料層上に前記マスク材料層の一部を露出させるフォトレジストパターンを形成する工程と、
    前記マスク材料層の露出部分を除去する工程と、
    前記フォトレジストパターンを除去する工程と、
    を含む、請求項１３に記載の製造方法。
16. 前記マスク層を形成する方法が、
    前記サファイア基板上に前記サファイア基板の一部を露出させるフォトレジストパターンを形成する工程と、
    前記フォトレジストパターンの上および前記サファイア基板の露出部分の上にマスク材料層を形成する工程と、
    前記フォトレジストパターンとその上の前記マスク材料層の一部とをリフトオフ法により除去する工程と、
    を含む、請求項１３に記載の製造方法。
17. 前記開口部のパターンには、線状、円形状、または多角形状が含まれる、請求項９に記載の製造方法。
18. 前記マスク層が複数の前記開口部を有し、前記開口部のパターンには、平行トレンチまたは交差トレンチが含まれる、請求項９に記載の製造方法。

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