JP2008547210A - 光電子応用のための(Al,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許出願の利益を主張するものである。
村井 章彦、クリスティーナ・Ye.チェン、ダニエル・B.トンプソン(Daniel B.Thompson)、リー・S.マッカーシー、スティーブン・P.デンバース、中村 修二、およびウメシュ・K.ミシュラによる米国特許仮出願第60/732,319号、2005年11月1日出願、発明の名称「光電子応用のための(AI,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法((AI,Ga,In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD)」、代理人整理番号30794.134−US−P2(2005−536−2)、および
村井 章彦、クリスティーナ・Ye.チェン、ダニエル・B.トンプソン、リー・S.マッカーシー、スティーブン・P.デンバース、中村 修二、およびウメシュ・K.ミシュラによる米国特許仮出願第60/764,881号、2006年2月3日出願、発明の名称「光電子応用のための(AI,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法((AI,Ga,In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD)」、代理人整理番号30794.134−US−P3(2005−536−3)
これらの出願は全て参照として本明細書中に組み込まれている。
スティーブン・P.デンバース、中村 修二、およびジェームス・S.スペック(James S.Speck)による米国特許仮出願第60/748,480号、2005年12月8日出願、発明の名称「高効率発光ダイオード(LED)(HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED))」、代理人整理番号30794.164−US−P1(2006−318−1)、および
スティーブン・P.デンバース、中村 修二、ジェームス・S.スペックによる米国特許仮出願第60/7スティーブン5号、2006年2月3日出願、発明の名称「高効率発光ダイオード(LED)(HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED))」、代理人整理番号30794.164−US−P2(2006−318−2)
これらの出願は全て参照として本明細書中に組み込まれている。
1.本発明の技術分野
本発明は光電子応用のためのウェーハ・ボンディング技術に関するものである。より具体的には、本発明は高効率(Al,Ga,In)Nベースの発光ダイオードのための、および光電子応用のための(Al,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造と、その作製方法に関するものである。
(注意:本明細書は、多くの異なる文献を参照している。これら文献のそれぞれは以下の「参考文献」と題したセクションに見出すことができる。これら参考文献のそれぞれは参照として本明細書中に組み込まれている。)
InP/GaAs、AlGaInP/GaP、GaAs/GaN、ZnSSe/GaNのような異なる材料の組み合わせを用いるウェーハ・ボンディング技術は、発光ダイオード(LED)、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)、および電子デバイスの光電子集積への応用を目的として研究されてきた[非特許文献1、2、3、4]。
Appl.Phys.Lett.56,737−39(1990) Appl.Phys.Lett.64,2839−41(1994) Appl.Phys.Lett.81,3152−54(2002) Jpn.J.Appl.Phys.43,L1275−77(2004) Jpn.J.Appl.Phys.34,L797−99(1995) Jpn.J.Appl.Phys.43,L180−82(2004) J.Cryst.Growth 260,166−70(2004) Appl.Phys.Lett.84,855−857(2004) Proceeding of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes(1996),113 New Semiconductor Materials,Characteristics and Properities,Ioffe Physico−Technical Institute,RussianFederation,1998 New Semiconductor Materials,Characteristics and Properties,Ioffe Physico−Technical Institute,Russian Federation,1998,Thermochimica Acta 430,155−65(2005)
概要
本発明は(Al,Ga,In)NウェーハとZnOウェーハとを直接ウェーハ・ボンディングして、その後ZnOを整形することによってLEDからの光取り出し効率を増加させる手段を提供することを目的とする。
技術的な記述
図1は(Al,Ga,In)Nと酸化亜鉛(ZnO)がウェーハ・ボンディングしたLEDのような光デバイス、(Al,Ga,In)NとZnOがウェーハ・ボンディングしたLEDの一つの実施例の断面の概略図である。この実施例において、III族窒化物光電子デバイスあるいはウェーハは、p型III族窒化物(101)と活性領域(102)とn型III族窒化物(103)とを備えたLEDを含んで構成されている。一つ以上のn型ZnO層(104)がIII族窒化物光電子デバイスまたはウェーハの一つ以上の側面(105)にウェーハ・ボンディングされ、少なくとも一つの直接ウェーハ・ボンディング界面(106)を形成する。少なくとも一つのn型電極(107)およびp型電極(108)がウェーハ・ボンディングしたLED上に成膜される。この実施例ではp型電極(108)がn型ZnO(104)上に成膜され、n型電極(107)がn型III族窒化物(103)上に成膜される。
他のデバイス構造
図11、12、13、14は(Al,Ga,In)NとZnOとが直接ウェーハ・ボンディングしたLEDを備えた光デバイスの他の例を示す。透明度が高く、表面が特徴的に整形されたZnO構造を用いて、活性領域からの出射光は効率的に取り出される。ZnOは360nm以上の波長で透過率が80%以上であり、高い取り出し効率と導電性を実現することになる。ZnOは透明な導電体の例である。
図17は一つ以上の透明導電体層が整形または粗面化される様子を示している。整形された一つ以上の透明導電体層は界面(1711)に対して臨界角(1710)で傾いた一つ以上の透明導電体層(1701)、(1702)の一つ以上の傾斜平面(1709)を備えており、例えば上部に少なくとも一つの電極(1708)を持つ、少なくとも一つの切頂六角錐(1712)を形成している。矢印(1713)は取り出される光の可能な軌跡を示している。
プロセス工程
図20は、光が一つ以上の透明導電体層を通過することを特徴とする直接ウェーハ・ボンディングした光デバイスを作製する方法を表している。
可能な変更と変形
(Al,Ga,In)NとZnOとの間の直接ウェーハ・ボンディングの重要な側面は、表面の平坦性と清潔性である。ウェーハ・ボンディングのための理想的な表面を準備するために、研磨、プラズマ処理を含むさまざまな表面処理技術が用いられる。平坦な表面を実現するためには十分に制御された結晶成長も必要である。また、研磨またはエピタキシャル成長技術を用いた平坦な(Al,Ga,In)N表面を得るためのさまざまな改良により、さらに均一なウェーハ・ボンディングが実現できる。
利点と改良点
(Al,Ga,In)NとZnOウェーハをボンディングする本発明の方法は新しく、特に発光ダイオード(LED)応用において現存のデバイス設計よりも優れている。ZnOの透明度が高いという特性により、LEDの中の光吸収が低減される。ZnOの導電性はLED中の活性領域からの光の出射を均一にすることができる。整形または粗面化されたZnOはLED内で繰り返し起こっている光反射を低減するため、より多くの光をLEDから取り出すことができる。結果として、この新しいハイブリッドのGaN/ZnO設計によるデバイスの外部量子効率は、必然的に現存のGaNベースのデバイスのそれよりも大きくなる。
次の参考文献は参照として本発明書中に組み込まれている。
1.Appl.Phys.Lett.56,737−39(1990)
2.Appl.Phys.Lett.64,2839−41(1994)
3.Appl.Phys.Lett.81,3152−54(2002)
4.Jpn.J.Appl.Phys.43,L1275−77(2004)
5.Jpn.J.Appl.Phys.34,L797−99(1995)
6.Jpn.J.Appl.Phys.43,L180−82(2004)
7.J.Cryst.Growth 260,166−70(2004)
8.Appl.Phys.Lett.84,855−857(2004)
9.Proceeding of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes(1996),113
10.New Semiconductor Materials,Characteristics and Properities,Ioffe Physico−Technical Institute,RussianFederation,1998
11.New Semiconductor Materials,Characteristics and Properties,Ioffe Physico−Technical Institute,Russian Federation,1998,Thermochimica Acta 430,155−65(2005)
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の一つ以上の実施例に関する上記の記述は、例示のために示された。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものである。
Claims (36)
- 光デバイスであって、
n型III族窒化物、活性領域、およびp型III族窒化物を備えたIII族窒化物光電子デバイスと、
前記III族窒化物光デバイスの一つ以上の側面にウェーハ・ボンディングされた一つ以上の透明導電体層
を備え、光が前記透明導電体層を通過し、前記透明導電体層が透明であるために前記III族窒化物内の光吸収を低減し、前記透明導電体層が導電性であるために活性領域から発する光を均一にすることを特徴とする光デバイス。 - 前記透明導電体層がZn(O,S,Te)、酸化インジウム錫、酸化ガリウム、酸化インジウム・ガリウム・亜鉛、In2O2/SnO2(酸化インジウム錫、ITO)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記透明導電体層がn型あるいはp型であることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記III族窒化物光電子デバイスはc面III族窒化物を含んで構成され、前記透明導電体層はc面ZnO層であることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記透明導電体層は粗面化または整形されていることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記粗面化または整形されている透明導電体層はLEDの内部で繰り返し起きている光反射を低減し、これにより前記LEDからの光をより多く取り出すことを特徴とする、請求項5に記載の光デバイス。
- 前記透明導電体層がZnOであり、ZnOの表面のO面が整形されていることを特徴とする、請求項5に記載の光デバイス。
- 前記透明導電体層が、一つ以上の切頂六角錐状に整形されていることを特徴とする、請求項5に記載の光デバイス。
- 前記粗面化または整形されている透明導電体層は多面体を形成する{10−11}面をもつ表面を持つことを特徴とする、請求項5に記載の光デバイス。
- 前記透明導電体層の有極性面がIII族窒化物ウェーハにウェーハ・ボンディングされることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記p型III族窒化物あるいはn型III族窒化物上に成膜された中間コンタクト層をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記中間コンタクト層は交差指型に作られたコンタクト層を含むことを特徴とする、請求項11に記載の光デバイス。
- 前記交差指型に作られたコンタクト層は格子状のパターンを形成し、その層の隙間のギャップが前記III族窒化物光デバイスからの光を通すことを特徴とする、請求項12に記載の光デバイス。
- 前記中間コンタクト層は透明か半透明であることを特徴とする、請求項11に記載の光デバイス。
- 前記中間コンタクト層は厚いコンタクト層を含んで構成されることを特徴とする、請求項11に記載の光デバイス。
- 前記III族窒化物光電子デバイスと前記透明導電体層の間に挿入されて、ウェーハ・ボンディングされた界面における電気抵抗を低減するような薄い金属または金属酸化膜(Pt、Al、Ni、Au、酸化Niまたは酸化Ga)を含む中間コンタクト層を更に備えることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 少なくとも一つのn型電極と少なくとも一つのp型電極を備えることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記p型電極がn型ZnO上に形成されることを特徴とする、請求項17に記載の光デバイス。
- 前記n型電極がGa面をもつn型GaN上に形成されることを特徴とする、請求項17に記載の光デバイス。
- 前記n型電極がN面をもつn型GaN上に形成されることを特徴とする、請求項17に記載の光デバイス。
- 前記III族窒化物光電子デバイスが適当な基板上に形成されることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
- 光が一つ以上の透明導電体層を通過することを特徴とする直接ウェーハ・ボンディングされた光デバイスを作製する方法であって、
(a)一つ以上の透明導電体層およびボンディングされる側のIII族窒化物光電子デバイスに対して平坦で正常な表面を準備するステップと、
(b)前記III族窒化物光電子デバイスと前記透明導電体層との間で直接ウェーハ・ボンディング工程を行うステップ
を備えることを特徴とする方法。 - 前記透明導電体層はZn(O、S、Te)、酸化インジウム錫、酸化ガリウム、酸化インジウム・ガリウム・亜鉛、In2O2/SnO2(酸化インジウム錫、ITO)を含むことを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記III族窒化物光電子デバイスと前記透明導電体層とが張り合わされて、その後、窒素雰囲気中で一軸性圧力の下、所定の温度で所定の時間ウェーハ・ボンディングされることを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記ボンディングされる透明導電体層の表面はc面ZnOのZn面を含むことを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記ボンディングされる透明導電体層の表面はc面ZnOのO面を含むことを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記III族窒化物光電子デバイスと前記透明導電体層とをウェーハ・ボンディング用の炉の中に装着して、炉はN2ガス流中で1時間600℃の温度に加熱されることを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 直接ウェーハ・ボンディングの前に、ウェーハ・ボンディングされる界面での導電率を高めるステップを更に備えることを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記ウェーハ・ボンディングされる界面での導電率を高めるために、前記ウェーハ・ボンディング工程の前に前記透明導電体層の表面をプラズマ処理することを特徴とする、請求項28に記載の方法。
- 前記ウェーハ・ボンディング工程の前に前記III族窒化物光電子デバイスの表面を部分的に整形してウェーハ・ボンディングされる界面を強化することを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記ウェーハ・ボンディング工程の後または前に、前記透明導電体層の表面を粗面化または整形することを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 前記表面はZnOのO面であることを特徴とする、請求項31に記載の方法。
- 前記整形するステップは異方性エッチングによって行われることを特徴とする、請求項31に記載の方法。
- 前記異方性エッチングは化学エッチングであることを特徴とする、請求項33に記載の方法。
- 前記エッチングは塩酸(HCl)または希釈HCl中であることを特徴とする、請求項34に記載の方法。
- 請求項22に記載の方法で作製される光デバイス。
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