JP2008160094A - 貫通転位が低く、光取り出しが改善された半導体デバイス、および該半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

貫通転位が低く、光取り出しが改善された半導体デバイス、および該半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＬＥＤなどの電子デバイスの製造での使用に適し得る半導体デバイス構造体を提供する。
【解決手段】発光ダイオードなどの電子デバイスの製造での使用に適する半導体デバイス構造体が提供される。この半導体デバイス構造体は、その上でのエピタキシャル領域の成長を支持するのに適した粗面化成長表面を有する基板を含む。このデバイス構造体は、基板の粗面化成長表面上に、欠陥が少なく、および／または改善された放射取り出し効率を有するエピタキシャル領域を含みうる。基板の粗面化成長表面は、少なくとも約１ナノメートル（ｎｍ）の平均粗度Ｒaと、少なくとも１０ナノメートル（ｎｍ）の山から谷までの平均高さＲzを有し得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイスに関し、より詳細には、発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に際して有用な半導体デバイスに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する固体デバイスの重要な１種類である。ＬＥＤは、一般に、２つの反対のドープ層に挟まれた半導体材料の能動層を含む。ドープ層にまたがってバイアスが印加されると、正孔と電子が能動層に注入され、これらが再結合して光を生成する。光は、能動層と、ＬＥＤの全表面とから全方向に放射される。最近の（窒化物ベースのＬＥＤなどの）ＬＥＤの進歩の結果、フィラメントベースの光源の効率に優り、入力との関連で同等の、またはより大きな輝度を有する光を提供する非常に効率の高い光源が生み出されている。
電磁スペクトルのＵＶ、青および緑部分での動作が可能な（発光ダイオード、レーザダイオード、光検出器などを含む）ＬＥＤの製造に適した材料は、第３族窒化物の半導体材料、特に、窒化ガリウムベースの化合物半導体を含む。しかしながら、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、作業デバイス（working device）の製造に際して、特定の一連の技術的問題を提示する。その第一の問題は、窒化ガリウムの大きな単結晶がないことであり、これは、さらには、窒化ガリウムまたは他の第３族窒化物のデバイスが、別の材料上にエピタキシャル層として形成されなければならないことを意味する。
第３族窒化物のデバイスの基板として、一般に、サファイア（すなわち酸化アルミニウムまたはＡｌ2Ｏ3）が使用されている。サファイアは、第３族窒化物への妥当な結晶格子整合、熱安定性、および透明性を提供し、これらのすべてが、一般に、発光ダイオードの製造に際して有用である。しかしながら、サファイアは、電気絶縁体であるという欠点を示す。これは、発光を生じさせるためにＬＥＤに通される電流は、サファイア基板を介して導入することができないことを意味する。よって、いわゆる「水平型」構成としてデバイスの陰極と陽極の両方をＬＥＤチップの同じ側に配置するなど、ＬＥＤへの別種の接続が行われなければならない。
サファイアとは対照的に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、導電的にドープさせることができ、したがって、事実上、オーミック接触がデバイスの両側に配置され得る「垂直型」第３族窒化物ＬＥＤを製造するのに使用され得る。加えて、炭化ケイ素は、ＧａＮとの格子不整合が比較的小さく、これは、その上で高品質の第３族窒化物材料を成長させることができることを意味する。また、炭化ケイ素は、高い熱伝導率も有し、これは、レーザダイオードなどの高電流デバイスにおける熱放散では重要となり得る。
上記その他のＬＥＤデバイスの利点にもかかわらず、炭化ケイ素やサファイアなどの基板上でのヘテロエピタキシャル成長を使ったＬＥＤの製造では、問題が生じ得る。ＧａＮエピタキシャル層を、ＳｉＣ基板など、異なる基板上で成長させるときには、若干の結晶不整合が生じる可能性があり、その結果生じるエピタキシャル層は、この不整合によってひずむ可能性がある。このような不整合、および不整合によって生じるひずみは、結晶欠陥の可能性を伴うことがあり、これは、さらには、結晶と接合の電子的特性に影響を及ぼし、よって、これに対応して、デバイスの性能を低下させ、または妨げることさえある。
例えば、成長方向に沿って結晶層を貫通する、直線的に延在する欠陥である貫通転位（threading dislocation）が、格子緩和の工程において、エピタキシャル層内に導入され得る。多くの貫通する欠陥が堆積層にある場合には、デバイスの発光性能は大幅に低下し得る。貫通転位は、キャリヤの非発光再結合中心として働き、したがって、このような非発光中心の存在が、デバイスの輝度と効率を低下させることがある。
加えて、従来の炭化ケイ素基板は、可視スペクトルの部分の若干の光を吸収し得る。下向きの基板を用いて実装されている垂直型デバイスである炭化ケイ素デバイスでは、基板に入る若干の光が、デバイスから取り出される前に基板を介して反射され、それによって、基板における吸収損失が増大し得る。また、反射損失は、デバイスの全体効率を低減させることもある。
本発明は、ＬＥＤなどの電子デバイスの製造での使用に適し得る半導体デバイス構造体を提供することができる。これらの半導体デバイス構造体は、結晶欠陥の低減と光取り出しの改善を含む、様々な望ましい特性を有し得る。したがって、これらの構造体は、改善された効率を示すＬＥＤの製造に役立ち得る。
本発明の様々な例示的実施形態において、これらの半導体デバイス構造体は、その上でのエピタキシャル領域の成長を支持するのに適した粗面化成長表面を有する、導電ＳｉＣや絶縁サファイア基板などの基板を含み得る。基板の粗面化成長表面は、少なくとも約１ナノメートル（ｎｍ）の平均粗度Ｒaを有し、さらに、少なくとも約１０ナノメートル（ｎｍ）の山から谷までの平均高さＲzを有し得る。これらの半導体デバイス構造体は、さらに、基板の粗面化成長表面上にエピタキシャル領域を含み得る。結果として生じるエピタキシャル層は、貫通転位などの欠陥が少なく、および／または改善された放射取り出し効率を有し得る。本発明の様々な例示的実施形態は、基板の粗面化成長表面上に６×１０8ｃｍ-2未満または約６×１０8ｃｍ-2の貫通転位、いくつかの実施形態では１０8ｃｍ-2未満または約１０8ｃｍ-2の貫通転位を有するエピタキシャル領域を含む半導体デバイス構造体を含みうる。
本発明の様々な実施形態では、エピタキシャル領域はダイオード領域を含んでいてもよく、ダイオード領域は、放射を発することのできる能動領域と、能動領域の第１の表面に沿ったｎ型層と、能動領域の第２の対向する表面上のｐ型層とを含み得る。能動領域とｎ型層とｐ型層とは、それぞれ、第３族窒化物層を含み得る。本発明のエピタキシャル領域は、バッファ層をさらに含み得る。本発明の例示的デバイスは、基板が導電性基板である垂直型ＬＥＤを含み、垂直型ＬＥＤは、ダイオード領域と対向する導電性基板の表面上の第１のオーミック層と、導電性基板と対向するダイオード領域の表面上の第２のオーミック接触をさらに含む。
本発明は、ＬＥＤなどの電子デバイスの製造での使用に適した半導体デバイス構造体を製造する方法をさらに含む。本発明の方法は、その上でのエピタキシャル領域の成長を支持するのに適した基板成長表面を、その成長表面を粗面化するように処理するステップを含む。基板成長表面は、材料の機械的除去や、エッチングや、光学的相互作用（すなわちレーザアブレーション）などの様々な工程を使って処理され得る。本発明の方法は、粗面化成長表面上に、欠陥の低減、および／または放射取り出し効率の改善を示し得るエピタキシャル領域を形成するステップをさらに含む。
以上のように、本発明を一般的に説明したが、次に、添付の図面を参照する。図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているとは限らない。
次に、本発明の全部ではないが一部の実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。実際には、本発明は、多くの異なる形で実施されてもよく、本明細書に示す実施形態だけに限定されるものと解釈されるべきではない。そうではなく、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすために提供するものである。本明細書全体を通じて、類似の番号は類似の要素を指すものとする。
本明細書において使用する用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するためのものではない。本明細書で使用する際、用語「および／または」は、関連する列挙項目の１つ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。本明細書で使用する際、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈で特に明示されない限り、複数形も含めることを意図するものである。さらに、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」は、本明細書で使用するとき、提示される特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成部分の存在を指定するが、１つ以上の別の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成部分、および／またはそれらのグループの存在または追加を除外するものではないことも理解される。
層、領域、基板などの要素が、別の要素の「ａｂｏｖｅ（接触なしの上）」、「ｏｎ（接触ありの上）」にある、または「ｏｎｔｏ（上へ）」延在しているというとき、この要素は、その別の要素の真上（接触あり／なし）にあり、または真上へ延在していてもよく、介在要素が存在していてもよいことが理解される。これに対して、要素が別の要素の「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｂｏｖｅ（接触なしの真上）」、「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ（接触ありの真上）」にある、または「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎｔｏ（真上へ）」延在しているというときには、介在要素は存在しない。
本明細書では、第１（の）、第２（の）などの用語を使用して様々な要素、構成部分、領域、層および／または部分が説明され得るが、これらの要素、構成部分、領域、層および／または部分は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解される。これらの用語は、ある要素、構成部分、領域、層または部分を、別の領域、層または部分と区別するために使用されるにすぎない。よって、後述する第１の要素、構成部分、領域、層または部分は、本発明の教示を逸脱することなく、第２の要素、構成部分、領域、層または部分とも呼ばれ得るはずである。
さらに、「ａｂｏｖｅ（上）」や「ｕｐｐｅｒ（上方）」や「ｔｏｐ（上部）」、「ｂｅｌｏｗ（下）」や「ｌｏｗｅｒ（下方）」や「ｂｏｔｔｏｍ（下部）」などの相対的用語は、本明細書では、各図に示すように、ある要素の別の要素との関係を説明するのに使用され得る。相対的用語は、各図に示す向きに加えて、デバイスの異なる向きも包含するためのものであることが理解される。例えば、各図のデバイスが裏返される場合、別の要素の「上」側に、および／または別の要素の「上に」あると記述される要素は、それら別の要素の「下」側に、および／または別の要素の「下に」向けられるはずである。したがって、例示の用語「ａｂｏｖｅ」は、図の特定の向きに応じて、「上」と「下」両方の向きを包含し得る。同様に、図の１つのデバイスが裏返される場合、別の要素の「ｂｅｌｏｗ（下）」または「ｂｅｎｅａｔｈ（下）」であると記述される要素は、それら別の要素の「上」に向けられるはずである。したがって、例示の用語「ｂｅｌｏｗ」または「ｂｅｎｅａｔｈ」も、上と下両方の向きを包含し得る。さらに、用語「ｏｕｔｅｒ（外側）」は、基板から最も遠く離れている表面および／または層を指すのに使用され得る。
本明細書では、本発明の実施形態を、本発明の理想化された実施形態の概略図である断面図を参照して説明する。したがって、例えば、製造技法および／または公差などの結果としての、図の形状との違いが予期されるものである。よって、本発明の実施形態は、本明細書で示す領域の特定の形状だけに限定されるものと解釈すべきではなく、例えば、製造によって生じる形状の偏差を含むものである。例えば、長方形で示すエッチング領域などは、通常、先細り形状、丸みを帯びた形状、または湾曲した形状を有する。よって、各図に示す領域は、事実上概略的なものであり、これらの形状は、デバイスの領域の正確な形状を示すものではなく、本発明の範囲を限定するためのものではない。
特に定めのない限り、本明細書で使用する（科学技術用語を含む）すべての用語は、当業者が一般に理解するものと同じ意味を有するものである。さらに、一般に使用される辞書で定義されている用語などは、関連技術と本開示の文脈におけるそれらの意味と整合する意味を有するものと解釈すべきであり、本明細書で特に定義しない限り、理想化された、または過度に形式張った意味で解釈されるものではないことも理解される。
図１〜図４に、基板と、エピタキシャル領域と、任意選択的に１つ以上の追加の層および／または領域を含む、様々な半導体デバイス構造体を概略的に示す。図１〜図４のデバイスの基板と、エピタキシャル層と、追加の層および／または領域の寸法は、一定の縮尺で描かれておらず、図示のために誇張されている。
図１には、基板１２と、ダイオード領域を含むエピタキシャル領域１４と、反射層１６を含む、従来技術のＬＥＤデバイス構造体１０の例の簡単な概略図が示されている。基板１２の対向する表面は、実質的に平滑または平坦である。基板１２とエピタキシャル領域１４の間に格子不整合がある場合、デバイスは、有害なほど高度に集中した貫通転位などの結晶欠陥を含む可能性があり、このことは、デバイスの性能にマイナスの影響を及ぼし得る。
加えて、ＳｉＣなどの基板は、比較的高い屈折率を有し得る。ＳｉＣの高い屈折率のために、ＳｉＣ基板を通る光は、その光が、相当に低い入射角で表面に当たらない限り、基板の表面において基板へと全内部反射する。例えば、図１に示すように、エピタキシャル領域１４の能動領域において生成される光線５０は、最初は、基板１２から遠ざかる方向に進むが、デバイス１０から取り出される前に、基板１２によって反射され得る。発明者らは、基板層１２の実質的に平坦な、または平滑な成長表面が、デバイスからの光取り出しを低減し、吸収損失を増大させ得ることを発見した。
従来技術のデバイスとは対照的に、様々な実施形態において、本発明の半導体デバイス構造体は、実質的に平滑な基板成長表面上の同じエピタキシャル層と比べて、基板成長表面で成長するエピタキシャル領域において低い欠陥密度を示し得る。非限定的な例において、本発明の例示的デバイスは、６×１０8ｃｍ-2未満または約６×１０8ｃｍ-2の貫通転位を有するエピタキシャル領域、本発明の別の実施形態では、１０8ｃｍ-2未満または約１０8ｃｍ-2の貫通転位を有するエピタキシャル領域を含み得る。本発明は、これらの欠陥密度を有するデバイスだけに限定されず、これらの範囲外の欠陥密度を有するデバイスも含む。加えて、本発明のデバイスは、従来技術のデバイスと比べて、光取り出しの改善を示し得る。本発明のデバイス例は、実質的に平滑な成長表面上の同じ能動領域の放射取り出し効率と比べて、粗面上の能動領域の放射取り出し効率を増大させるのに十分な粗度の成長表面を有する基板を含み得る。デバイス例は、少なくとも約１ナノメートル（ｎｍ）の平均粗度Ｒaと、少なくとも約１０ナノメートル（ｎｍ）の山から谷までの平均高さＲzを有する成長表面を備える導電性基板を含み得る。さらに、本発明は、本明細書で論じる光取り出しの改善、および／または欠陥低減、および／またはその両方を示すデバイスを含み得る。
図２には、本発明の一実施形態による例示的半導体デバイス構造体２０の断面図が概略的に示されている。デバイス２０は、任意選択的に導電性基板を備えることができ、その上でのエピタキシャル領域２４の成長を支持するのに適した成長表面２３を有する、基板２２を含む。以下でより詳細に論じるように、エピタキシャル領域２４は、複数の第３族窒化物エピタキシャル層を含むことができ、それらのうちの少なくとも１つ以上がダイオード領域を提供し得る。また、エピタキシャル領域２４は、任意選択的に、基板２２とダイオード領域の間に配置された導電性バッファを含むこともできる。
基板２２は、ＬＥＤに有用な基板を含めて、半導体デバイス構造体で使用するのに適した任意の材料により形成され得る。基板は、導電性とすることができる。本発明で有用な基板の例には、単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板が含まれる。炭化ケイ素は、導電性とすることができ、第３族窒化物能動層に適切にバッファさせることができる格子整合を有し、優れた熱的、機械的安定性を有するため、ＬＥＤに使用しやすい基板となり得る。ＳｉＣ基板２２は、炭化ケイ素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、および１５Ｒポリタイプから選択されるポリタイプを有し得る。
ＳｉＣは、導電性とすることができるため、当分野で「垂直型」デバイスと呼ばれる、オーミック接触がデバイスの両側に配置されるＬＥＤの製造において特に有用となり得る。これと対照的に、発光を生じさせるためにＬＥＤに通される電流は、サファイア基板などの電気絶縁基板を介して導入することができず、そのため、デバイスの陰極と陽極両方を、いわゆる「水平型」の構成としてＬＥＤチップの同じ側に配置するなど、ＬＥＤへの別種の接続が行われなければならない。このような水平型デバイスは、垂直型デバイスと比べて、製造がより複雑になり得る。
炭化ケイ素ベースの第３族窒化物ＬＥＤの例は、それぞれ、本発明の譲受人であるクリー社（Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．）に譲渡されており、それぞれの内容全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第５５２３５８９号明細書、米国特許第６１２０６００号明細書、および米国特許第６１８７６０６号明細書に記載されている。このようなデバイスは、通常、炭化ケイ素基板と、基板上に形成されたバッファ層または領域と、ｐｎ接合能動領域を形成する複数の第３族窒化物層とを含む。
本発明での使用に適した炭化ケイ素基板は市販されており、これらは、例えば、本発明の譲受人である、米ノースカロライナ州ダラムのクリー社（Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．）によって製造されている炭化ケイ素基板などを含む。適切な炭化ケイ素基板を製造する方法は、当分野において既知であり、例えば、その内容全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第３４８６１号明細書、米国特許第４９４６５４７号明細書、米国特許第５２０００２２号明細書、米国特許第６２１８６８０号明細書などに記載されている。
本明細書では、本発明の実施形態を、炭化ケイ素基板を参照して記述するが、本発明の実施形態は、それだけに限らないが、サファイア、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＯなど、導電性基板、半導体基板、および／または絶縁基板を含む、任意の適切な基板を利用してもよい。
図２に示すように、基板２２の成長表面２３は粗面化される。本明細書において使用する際、「粗面」という用語は、表面が実質的に平滑でも平坦でもないようにそのトポグラフィが変更されている基板表面の少なくとも一部分または領域を指す。本発明の様々な実施形態では、基板表面は、実質的にランダムに、および／または不規則に粗面化される。以下でより詳細に論じるように、無制限に、機械的工程、エッチング工程および光学的工程を含む、当分野で既知の様々な技法を用いて、基板表面のトポグラフィが粗面化（または変更）され得る。
本発明の別の例示的実施形態では、成長表面と対向する基板の表面も粗面化され得る。非限定的な例として、図３には、対向する粗面３３と３５を備える基板３２を含み得る例示的デバイス構造体３０が示されており、図４には、対向する粗面４３と４５を備える基板４２を含み得る別の例示的デバイス構造体４０が示されている。
本発明による例示的基板は、少なくとも約１ナノメートル（ｎｍ）の平均表面粗度Ｒaを有する少なくとも１つの表面、代替の実施形態では、少なくとも２つの対向する表面を有し得る。「Ｒa」という語は、当分野では周知であり、総測定部分Ｉmの内側の中心線からの粗度プロファイルＲにおけるすべての山から山までの距離の絶対値の算術平均値をいう。言い換えると、平均粗度は、粗度プロファイルとその二等分線の間の面積、すなわち、以下の式で表すように、評価長さに対する粗度プロファイル高さの絶対値の積分によって定義される。
デジタルデータから評価されるとき、積分は、以下の式による台形法則によって近似され得る。
図示すると、平均粗度は、粗度プロファイルとその中心線の間の面積を評価長さ（通常は、５サンプル長とすることができ、各サンプル長は１カットオフに等しい）で割ったものである。言い換えると、平均粗度は、山と谷の総面積を評価長さで割ったものとして表すことができる。本発明によれば、ＡＳＭＥ Ｂ４６．１−１９９５、ＡＳＭＥ Ｂ４６．１−１９８５、ＩＳＯ ４２８７−１９９７、および／またはＩＳＯ ４２８７／１−１９９７を含めて、表面のＲaを評価する既知の技法のいずれでも用いることができる。
本発明による例示的基板は、さらに、その少なくとも約１０ナノメートル（ｎｍ）の山から谷までの平均高さＲzによって定義される粗度の、少なくとも１つの表面、代替の実施形態では、少なくとも２つの対向する表面を有し得る。また、「Ｒz」という用語も、当分野では周知であり、サンプル長内の最高の山の高さと最低の谷の深さの和をいう。本発明によれば、ＡＳＭＥ Ｂ４６．１−１９９５とＩＳＯ ４２８７−１９９７を含めて、表面のＲzを評価する既知の技法のいずれでも用いることができる。
本発明では、図２、図３および図４に示すように、基板とエピタキシャル領域の界面における粗面化基板表面の存在により、デバイスからの光取り出しを改善することができ、それによって、デバイスの全体性能を向上させることができる。本発明の任意の説明理論によって結び付けようとするものではないが、現在、粗面化した基板成長表面は、光線５２で概略的に示すように、放射の拡散またはレンズを改善することができると考えられている。光拡散またはレンズが改善された結果として、実質的に平坦な基板成長表面を有するデバイスと比べると、より短い光路長と、よって、より少ない吸収損失を伴って基板から放出される光が、能動領域によって生成され得ることになる。これに対して、図１に概略的に示すように、実質的に平坦な基板表面を有するデバイスの能動領域において生成される光線５０は、光がデバイスから放出される前は、より長い光路を有し得る。
図２に戻って、デバイス２０は、ＬＥＤの製造において特に有用となり得る。したがって、エピタキシャル領域２４は、当分野で既知のように放射を発することのできる能動領域を含み得る。能動領域は、ｐｎ接合を含むことができ、当分野で既知のように、単一ヘテロ構造、二重ヘテロ構造、単一量子井戸、多重量子井戸などを含みうる。
エピタキシャル領域２４は、ＬＥＤを含む半導体デバイスの製造に適する、当分野で既知の材料のいずれかで形成され得る。本発明のデバイスのエピタキシャル領域２４の製造において有用なエピタキシャル層の例は、無制限に、第３族窒化物エピタキシャル層を含み得る。本明細書で使用する際、「第３族窒化物」という用語は、窒素と、周期律表の第３族の元素、普通は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および／またはインジウム（Ｉｎ）の間で形成される半導体化合物をいう。また、この用語は、ＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮなどの三元化合物と四元化合物も指す。当分野では既知のように、第３族元素は、窒素と化合して、（ＧａＮなどの）二元化合物、（ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどの）三元化合物および（ＡｌＩｎＧａＮなどの）四元化合物を形成し得る。これらの化合物は、すべて、１モルの窒素が、合計１モルの第３族元素と化合する実験式を有する。したがって、しばしば、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のような式を使ってこれらの化合物が記述される。
本発明の例示的実施形態では、デバイスは、ｐｎ接合を有するヘテロ構造を含むダイオード領域を含み得る。本発明のこの実施形態では、ヘテロ構造は、上下のヘテロ構造層の間に配置された能動層を含むことができ、能動層、上部ヘテロ構造層、下部ヘテロ構造層は、それぞれ、第３族窒化物材料を含む。能動層は、例えば、窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）層などの第３族窒化物エピタキシャル層を含み、上下のヘテロ構造層は、それぞれ、窒化アルミニウムガリウムを含み得る。
ｐｎ接合を形成するために、上下のヘテロ構造層は、相互に反対の導電型を有し、能動層は、上部または下部ヘテロ構造層の１つと同じ導電型を有し得る。非限定的な例として、本発明のこの実施形態では、上部ヘテロ構造層をｐ型とし、能動層をｎ型とし、下部ヘテロ構造層をｎ型とすることができる。よって、ｐｎ接合は、能動層と上部ヘテロ構造層の間に形成される。本明細書では、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第５５２３５８９号明細書を参照する。本発明で役立ち得る別のデバイス構造体が、やはり引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許出願第６１８７６０６号明細書、米国特許出願第６６６４５６０号明細書、米国特許出願第６７９１１１９号明細書、および米国特許出願公開第２００４／０１４９９９３号明細書に記載されている。
エピタキシャル領域２４は、当分野の技術者に既知の技法によって基板２２上に形成され得る。数ある材料の中でも特に、第３族窒化物のエピタキシャル成長の様々な蒸着技法の一般的態様は、多年にわたって広く定着している。さらに、特に困難な材料システムにおける結晶の成長に精通する技術者は、所与の技法の詳細が、関連する状況に応じて、普通は意図的に異なる可能性があり、異なるであろうことを理解する。加えて、本発明への変更も、本明細書の説明を読めば、当業者には理解される。したがって、当業者が、必要以上の実験を行わずに、本明細書の開示に基づいて本発明を実行することができるという認識において、本明細書に示す説明は、一般的、概略的に最適なやり方で示されるものである。
非限定的な例として、エピタキシャル領域２４は、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）を使って基板２２上に形成され得る。しかしながら、本発明では、無制限に、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、気相エピタキシ（ＶＰＥ）などを含めて、別の適切な製造技法も役立ち得る。エピタキシャル領域２４に適する原材料（または前駆体材料）は、当分野で既知の第３族金属トリアルキル化合物、例えば、第３族元素のトリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなど、およびこれらの混合物を含み得る。アンモニアなどの第５族水酸化物は、窒素成分に適した原材料である。第３族窒化物のエピタキシャル成長の技法例は、例えば、やはり引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第５２１００５１号明細書、米国特許第５３９３９９３号明細書、米国特許第５５２３５８９号明細書、米国特許第５２９２５０１号明細書などに記載されている。
エピタキシャル領域２４は、任意選択的に、基板２２の表面上に形成された導電性バッファ領域を含んでいてもよく、この領域は、基板２２とダイオード領域の間に配置され得る。窒化アルミニウムバッファ層などの任意選択的なバッファ層は、基板２２と、デバイスのそれ以外の構造の間の結晶構造の転移を提供することができる。
デバイス２０は、さらに任意選択的に、導電性基板２２と対向するエピタキシャル領域２４の表面の下に位置する反射層２６を含み得る。反射層２６は、エピタキシャル層２４の能動領域で生成される光が基板２２に入るのを助長し得る。反射層は、それだけに限らないが、銀および／またはアルミニウムを含む層など、能動領域から基板２２方向に光を反射し得る材料により形成され得る。また、図３と図４には、それぞれ、反射層３６と４６も示されている。
加えて、デバイス２０は、任意選択的に、基板２２と対向するエピタキシャル領域２４の表面上に第１のオーミック接触２８を含み得る。基板２２が導電性基板である本発明の実施形態では、デバイスは、エピタキシャル領域２４をその上で成長させて垂直型ＬＥＤ構造が形成される成長表面と対向する基板２２の表面上に、第２のオーミック接触２９をさらに含み得る。オーミック接触は、当分野で既知の材料、例えば、それだけに限らないが、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属により形成され得る。
図４には、実装支持台４８上に実装されたＬＥＤなどのデバイスをさらに示す、本発明の別の例示的な実施形態が示されている。このデバイスは、それだけに限らないが、デバイスおよび／または実装支持台に取り付けられ、従来のはんだリフロー技術を使ってリフローされ得る、はんだ予備成形物の形の接合領域など、当分野で既知の技法を使って実装支持台に接合され得る。はんだ予備成形物は、例えば、鉛錫、インジウム金、金錫および／または銀錫の合金などの低温共晶合金を含み得る。
図２と図３に示すような本発明の別の実施形態によるＬＥＤは、それぞれ、基板２２または３２の側壁の少なくとも一部を面取りし、または傾斜させることによって、ＬＥＤからの光取り出しをさらに改善することができる。面取りされた側壁２２または３２に当たる光の入射角は、一般に、そうでない場合よりも垂線に近いため、基板に反射される光がより少なくなり得る。したがって、光が基板から取り出され、これによりデバイスの全体効率をさらに向上させることができる。
図２に戻って、基板２２の成長表面２３、および任意選択的に、これと対向する表面２５は、例えば、貫通転位密度が低く、および／またはＬＥＤに加工されたときの光取り出しが改善される、基板上の層のエピタキシャル成長を可能にするように成長表面を粗面化するなど、所望の程度の表面変更を加えるのに十分な条件下において処理され得る。基板表面処理工程の例には、無制限に、材料の機械的除去、エッチング、光学的相互作用（すなわちレーザアブレーション）が含まれる。機械的処理の例には、例えば、鋸引き、研削、ラッピング、ポリシングなどが含まれる。エッチング工程の例には、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）などの湿式化学エッチング工程およびドライエッチング工程が含まれる。図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂおよび図７は、本発明の様々な実施形態による、ＲＩＥを使って粗面化されている様々なＳｉ面基板表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
また、エピタキシャル成長での粗面化基板表面の適合性も評価され、その結果が、本発明の様々な例示的実施形態による（図９Ａの基板ではＲＩＥを、図９Ｂの基板ではラッピングを使った）粗面化成長表面を有するＳｉ面基板上の、第３族窒化物のエピタキシャル成長の断面ＳＥＭ画像である図９Ａと図９Ｂに示されている。図８は、比較のために含まれており、従来技術によって例示される実質的に平滑な成長表面を有するＳｉＣ基板上の、第３族窒化物のエピタキシャル成長の断面ＳＥＭ画像である。
図９Ａと図９Ｂのデバイスのエピタキシャル成長は、実質的に平坦で、高品質のものであり、さらに、粗面は、図１０と図１１に示すように、貫通転位の０．３倍の低減をもたらす。図１０は、従来技術によって例示される実質的に平滑な成長表面を有するＳｉＣ基板上で成長させた、第３族窒化物多重量子井戸（ＭＱＷ）の平面ＳＥＭ画像図である。結果として生じる第３族窒化物エピタキシャル層は、約２×１０9ｃｍ-2の比較的高い貫通転位の集中を示す。図１１は、本発明の例示的実施形態による粗面化成長表面、特に、ＲＩＥを使って粗面化された基板表面を有するＳｉＣ基板上で成長させた、第３族窒化物多重量子井戸（ＭＱＷ）の平面ＳＥＭ画像図である。結果として生じる本発明による第３族窒化物エピタキシャル層は、約６×１０8ｃｍ-2の低転位密度を示す。
また、転位密度の低いエピタキシャル層の製造を助長することに加えて、本発明は、光取り出しの改善を示すＬＥＤの製造も可能にし得る。非限定的な例として、ＲＩＥを使って粗面化された表面を有するＳｉ面基板上に十分なＬＥＤエピタキシャル構造を成長させる。比較のために、同じエピタキシャル（Ｅｐｉ）処理において、標準の実質的に平滑な、または平坦なＳｉ面基板上にも十分なＬＥＤエピタキシャル構造を成長させる（すなわち、同じエピタキシャル成長処理において粗面基板と従来の平面基板との両方を成長させる）。平面エピタキシャル輝度が、オンウェーハ２２０×２２０μｍの半透明金属接触を用いて評価され、結果として得られるエレクトロルミネセンスデータが図１２に示されている。試験構造体の概略図が図１３に示されている。このデータは、粗面化基板を使って作成されたＬＥＤが、実質的に平滑な基板上に作成されたＬＥＤの輝度に匹敵し、またはこれより良好な輝度を示し得ることを実証している。このデータは、粗面化基板上のエピタキシャル（Ｅｐｉ）品質が、少なくとも、従来の基板上の品質と同等であることを示すものである。試験構造体は、前述した特定のダイ構造のいずれかの実施形態ではなく、最終的改善を示すものとみなすべきではなく、粗面化が、高品質ＬＥＤエピタキシャル層の成長と両立することを示すためのものである。
図面と明細書では、本発明の好ましい実施形態が記述されており、特定の用語が用いられているが、これらの用語は、一般的、記述的意味で使用されているにすぎず、限定のためのものではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲により規定されるものである。
従来技術によって例示される半導体デバイス構造体を示す概略的断面図である。 本発明の一実施形態による半導体デバイス構造体を示す概略的断面図である。 本発明の別の実施形態による半導体デバイス構造体を示す概略的断面図である。 本発明の別の実施形態による半導体デバイス構造体を示す概略的断面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは本発明の例示的実施形態の半導体デバイス構造体において有用な粗面化ＳｉＣ基板表面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図６Ａおよび図６Ｂは本発明の例示的実施形態の半導体デバイス構造体において有用な粗面化ＳｉＣ基板表面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 本発明の例示的実施形態の半導体デバイス構造体において有用な粗面化ＳｉＣ基板表面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 従来技術によって例示される実質的に平滑な成長表面を有するＳｉＣ基板上の第３族窒化物のエピタキシャル成長を示すＳＥＭ画像である。 図９Ａおよび図９Ｂは本発明の様々な例示的実施形態による粗面化成長表面を有するＳｉＣ基板上の第３族窒化物のエピタキシャル成長を示すＳＥＭ画像である。 従来技術によって例示される実質的に平滑な成長表面を有するＳｉＣ基板上で成長させた第３族窒化物多重量子井戸（ＭＱＷ）を示すＳＥＭ画像である。 従来の平面的成長と比べての貫通転位の低減を確認する、本発明の例示的実施形態による粗面化成長表面を有するＳｉＣ基板上で成長させた第３族窒化物多重量子井戸（ＭＱＷ）を示すＳＥＭ画像である。 従来技術によって例示される実質的に平滑な成長表面を有するＳｉＣ基板上で成長させた第３族窒化物ＬＥＤと、本発明の例示的実施形態による粗面化成長表面を有するＳｉＣ基板上で成長させた第３族窒化物ＬＥＤのエレクトロルミネセンスデータを示すグラフである。 粗面化基板表面を含むデバイスの輝度を評価するのに役立つ試験構造体を示す概略図である。

Claims (31)

  1. 発光ダイオードなどの電子デバイスの製造での使用に適する半導体デバイス構造体であって、
    表面上でのエピタキシャル領域の成長を支持するのに適した粗面化成長表面を有する基板と、
    前記基板上のエピタキシャル領域と
    を備える、半導体デバイス構造体。
  2. 前記導電性基板の前記粗面化成長表面が、少なくとも１ナノメートル（ｎｍ）の平均粗度Ｒaを有する、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  3. 前記導電性基板の前記粗面化成長表面が、少なくとも１０ナノメートル（ｎｍ）の山から谷までの平均高さＲzを有する、請求項２に記載の半導体デバイス構造体。
  4. 前記エピタキシャル領域が、前記基板の実質的に平滑な成長表面上の同じエピタキシャル領域に比べてより少ない欠陥を含む、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  5. 前記エピタキシャル領域が、６×１０8ｃｍ-2未満または６×１０8ｃｍ-2の貫通転位を有する、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  6. 前記エピタキシャル領域が、１０8ｃｍ-2未満または１０8ｃｍ-2の貫通転位を有する、請求項５に記載の半導体デバイス構造体。
  7. 前記導電性基板が、前記粗面化成長表面と対向する第２の粗面をさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  8. 前記導電性基板の前記第２の粗面が、少なくとも１ナノメートル（ｎｍ）の平均粗度Ｒaを有する、請求項７に記載の半導体デバイス構造体。
  9. 前記導電性基板の前記第２の粗面が、少なくとも１０ナノメートル（ｎｍ）の山から谷までの平均高さＲzを有する、請求項８に記載の半導体デバイス構造体。
  10. 前記基板が、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、酸化亜鉛、およびサファイアから選択された材料を含む、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  11. 前記基板が導電性基板である、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  12. 前記導電性基板が炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  13. 前記エピタキシャル領域が、放射を発することのできる能動領域を備える、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  14. 前記導電性基板の前記粗面化成長表面が、実質的に平滑な成長表面上の同じ能動領域の放射取り出し効率に比べて、前記能動領域の放射取り出し効率を増大させるのに十分な粗度を有する、請求項１３に記載の半導体デバイス構造体。
  15. 前記能動領域が第３族窒化物を含む、請求項１４に記載の半導体デバイス構造体。
  16. 前記第３族窒化物が、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮからなるグループから選択される、請求項１５に記載の半導体デバイス構造体。
  17. 前記第３族窒化物がＩｎＧａＮを含む、請求項１６に記載の半導体デバイス構造体。
  18. ダイオード領域を形成するための前記能動領域の第１の表面に沿ったｎ型層と、前記能動領域の第２の対向する表面上のｐ型層とをさらに備える、請求項１３に記載の半導体デバイス構造体。
  19. 前記ｎ型層と前記ｐ型層のそれぞれが第３族窒化物層を備える、請求項１８に記載の半導体デバイス構造体。
  20. 前記エピタキシャル領域がバッファ層を備える、請求項１に記載の半導体デバイス構造体。
  21. 請求項１から２０のいずれかに記載の半導体デバイス構造体を備える、発光ダイオード。
  22. 前記基板と対向するダイオード領域の表面上に反射層をさらに備える、請求項２１に記載の発光ダイオード。
  23. 前記ダイオード領域と対向する前記反射層の表面上にサブマウントをさらに備える、請求項２２に記載の発光ダイオード。
  24. 前記基板が導電性基板であり、ダイオード領域と対向する前記導電性基板の表面上の第１のオーミック層と、前記導電性基板と対向する前記ダイオード領域の表面上の第２のオーミック接触とをさらに備える、請求項２１に記載の発光ダイオード。
  25. 請求項１から２０のいずれかに記載の半導体デバイス構造体の製造方法であって、
    表面上でのエピタキシャル領域の成長を支持するのに適した基板成長表面を、前記成長表面を粗面化するように処理するステップと、
    前記導電性基板の前記粗面化成長表面にエピタキシャル領域を形成するステップと
    を含む、半導体デバイス構造体の製造方法。
  26. 前記処理するステップが、前記基板の前記成長表面を機械的に処理することを含む、請求項２５に記載の製造方法。
  27. 前記処理するステップが、前記基板の前記成長表面をエッチングすることを含む、請求項２５に記載の製造方法。
  28. 前記処理するステップが、前記基板の前記成長表面を光学的に処理することを含む、請求項２５に記載の製造方法。
  29. 前記基板と対向する前記エピタキシャル領域の表面上に反射層を設けるステップをさらに含む、請求項２５に記載の製造方法。
  30. 前記エピタキシャル領域と対向する前記反射層の表面上にサブマウントを設けるステップをさらに含む、請求項２９に記載の製造方法。
  31. 前記エピタキシャル領域と対向する前記基板の表面上に第１のオーミック層を設けるステップと、前記基板と対向する前記エピタキシャル領域の表面上に第２のオーミック接触を設けるステップとをさらに含む、請求項２５に記載の製造方法。
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