JP2010016409A - 標準パッケージで使用される信頼性が高い強固なｉｉｉ族発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】通常の方法でパッケージすることができ、そして更に、広範で様々な商業用途でデバイスを有用なものにするほど充分な時間、常温と高温の両方及び高湿度の条件に申し分無く耐える強固なＬＥＤを提供する。
【解決手段】標準パッケージ中において高い信頼性を提供し且つ高温と高湿度の条件に耐える物理的に強固な発光ダイオードを開示する。前記ダイオードは、ｐ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層を有するＩＩＩ族ヘテロ接合ダイオード、前記ｐ型コンタクト層に対するオーミックコンタクト、及び前記オーミックコンタクト上に存在するスパッタ堆積された窒化珪素組成物パッシベーション層を有するダイオードを含む。発光ダイオードを製造する方法及び前記ダイオードを組み込んでいるＬＥＤランプも開示する。
【選択図】図３

Description

発明の分野
本発明は、発光ダイオードに関するものであり、詳しくは、標準パッケージで使用するのに好適なＩＩＩ族窒化物から形成された発光ダイオードに関するものである。

発明の背景
発光ダイオードは、電気エネルギーを光放射に変換するｐ−ｎ接合デバイスである。特に、適当な順方向バイアス条件下では、ＬＥＤは、電磁スペクトルの紫外、可視、及び赤外の領域で外部自然放射を放出する。

電磁スペクトルの可視及び近可視の部分及びそれらの特徴に精通している当業者には公知のように、光の短波長（例えば、青及び紫外）は高周波数、高エネルギー遷移を示し、一方、光の長波長（例えば、赤及び赤外）は低周波数、低エネルギー遷移を示す。

而して、発光ダイオードに関しては、それが放出するスペクトルの特定部分、即ちそれらの色はエミッションを創出する遷移のエネルギーに基づいている。この遷移エネルギーは、特定材料のバンドギャップによって大部分決定される。而して、発光ダイオードが、スペクトルの青又は紫外の部分を放出するためには、この半導体材料のバンドギャップは、青又は紫外線を生起させるのに充分なエネルギーを有する遷移を支持する程度に充分に大きく（充分に広く）なければならない。

而して、スペクトルの青及び紫外の部分を放出する発光ダイオードのための候補材料は、ある種の広いバンドギャップの材料に限定され、例えば、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）及びＩＩＩ族窒化物；例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のような周期律表のＩＩＩ族元素から形成される二元、三元及び四元の窒化物に限定される。

青色ＬＥＤ分野における最近の開発研究は、その広いバンドギャップと、間接遷移材料よりもむしろ直接遷移材料としてのその特徴の故に、ＩＩＩ族窒化物に集中している。当業者には充分に理解されているように、直接バンドギャップ材料は、そのエネルギー転換が部分的に光として及び部分的に振動エネルギー（光子）としてよりも、主として光（光子）の形であるが故に、より高い効率を提供する傾向がある。

ＬＥＤ及び他の光子デバイスの構造、量子力学及び運転に関するより広範な考察は、Ｓｚｅ，Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２ｄｄｉｔｉｏｎ（１９８１，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ）、及びそれと関連のあるＳｚｅ，Ｍｏｄｅｒｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ（１９９８，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ）に記載されている。これらの原理は、一般的に、当業において充分に理解されているので、請求の範囲に記載されている発明を説明し且つそれらに裏付けを与えるのに必要である場合を除いては本願明細書では繰り返さない。

一般的に、発光ダイオードは、一緒になってｐ−ｎ接合を形成する反対導電型の材料からなる二層を含む。これらの材料は、典型的には、基板上において、エピタキシャル層の形態で存在する。最も望ましくは、オーミックコンタクトを、基板及び頂部エピタキシャル層に対して形成して、パッケージの最適効率のための“縦型”デバイスを形成する。

この点に関して、ＬＥＤは、しばしば、最終用途のために、ＬＥＤランプの形態で実装される。典型的なＬＥＤランプは、ＬＥＤチップ（又は“ダイ”、用語“チップ”はしばしばＬＥＤよりも集積回路を意味するために使用される）及びプラスチック（又はときどきガラス）レンズを含む。いくつかのＬＥＤ用として、レンズは光学フィルターとして使用されてコントラストを高めるために着色されるが、青色ＬＥＤ用の場合には、レンズは、所望の青色発光を妨害しないように好ましくは無色である。典型的なランプの構成は当業者に公知であり、例えば前掲書Ｓｚｅ，Ｐｈｙｓｉｃｓｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓのｐ．６９７〜７００に記載されている。典型的には、ランプとして実装されたＬＥＤチップは、表示器及び英数字表示装置のような種々の用途で使用できる。

しかしながら、多少の配慮は必要であるが、ＬＥＤは、ある種のタイプのデバイスに適用できる。例えば、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、典型的には、サファイア基板又は炭化珪素基板上に形成される。ＳｉＣは導電性にドープできるので、炭化珪素基板は多くの環境で好ましい。而して、ＳｉＣ基板は、「頂部」及び「底部」にオーミックコンタクトを有する「縦型」デバイス用の基礎を形成できる。これに対して、サファイアはその絶縁特性の故に、縦型デバイスで使用できない。

ｎ型ＳｉＣ基板は、一般的により導電性であり、且つ光をより多く伝達するので、ｎ型ＳｉＣ基板はｐ型基板に比べて好ましい傾向がある。
その結果、ＳｉＣ基板上のＩＩＩ族窒化物デバイスは、典型的には、ｎ型基板、ｎ型緩衝層（又は複数の層の組合せ）、ｎ型エピタキシャル層、及び上記デバイスの「頂部」上のｐ型コンタクト層（例えば、ＧａＮ）を含む。

このようなＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの開発、市場への投入、及び利用は比較的最近である。而して、商業用途（この“商業”という用語は、製造され、そして商品として販売される製品を一般的に意味するが、それに限定されない）では、デバイスの電子性能を最終的に低下させる特定のタイプの物理的及び化学的な破壊に悩まされている。更に特に、通常の環境条件下で、すなわち、室温以上の温度条件下で、また湿度及びその他の環境因子の通常の条件下で、ＬＥＤランプが運転される場合、エピタキシャル層、オーミックコンタクト及び関連パシベーション層は、互いに相互作用して、光学的及び電気的性能が劣化する傾向を示すことが判明している。この劣化の問題は、ｐ型ＧａＮの頂面層及びそのｐ型層に対するオーミックコンタクトを含むデバイスにおいて特に深刻であると考えられる。

ＬＥＤランプにおいて極めて望ましくない劣化の特定の形態は、長時間にわたる順電圧の増加である（ＶＦ劣化）。「順電圧」とは、ＬＥＤを発光させるために、ＬＥＤの端子に印加しなければならない電圧を意味している。ＶＦ劣化が起こると、運転温度が高くなることがあり、また、デバイスの寿命中の電力消費が増加することがある。

而して、ＩＩＩ族窒化物から作られる青色ＬＥＤのいくつかの市販品では、実装されたＬＥＤチップは通常の環境条件下でも比較的壊れ易いため、パッケージ自体が極めて特殊で強固である。例えば、日本国徳島にある日亜化学工業から市販されているＮＳＰＧ６３０Ｓ デバイスでは、ｐ型層、オーミックコンタクト、及びパッシベーション層は、曲げ易い透明な高分子材料で被覆され、次いでエポキシベースのポリマーのような硬質樹脂で封入されている。

例えば、欧州公開特許出願第０ ６２２ ８５８号“Ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ
ｂａｓｅｄ ＩＩＩ−Ｖ ｇｒｏｕｐ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ”において、中村らは、「（ｐ型窒化ガリウムに対する）ｐ型電極は、任意の適当な金
属材料から形成できる」（６頁７行目）ことを報告している。また中村は、８種類の候補金属（Ａｕ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｃｒ，及びＴｉ）を挙げ、好ましい選択としてニッケルと金の組合せ（６頁、１０−１２及び３３−３５行目）を挙げている。更に、パッシベーション層（「保護フイルム」）を選択する場合、中村は、いくつかの単なる一般的な基準を提供している（「保護フイルムを形成する材料は、それが透明であり、且つ電気的に絶縁性である限り特に限定されない」９頁３１−３２行目）。また、中村は４種類の候補材料：即ち、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、及び窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を挙げている。

しかしながら、ＧａＮ系ＬＥＤを広範囲に採用した結果、このような材料を広く選択することは不適当であり、そしてその結果得られるＬＥＤは、有用な市販のデバイスにとって他の点では好適であるが、より急速に品質が劣化することが判明した。特に、（１）ｐ型ＧａＮの頂部エピタキシャル層を含み；（２）チタンと金（“Ｔｉ／Ａｕ”）のようなある種の金属（又はそれらの組合せ）から形成されるオーミックコンタクトを使用し；そして（３）パシベーション層として二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を使用するＬＥＤは、商業的に受け入れられない程度まで品質が急速に低下する傾向を示す。即ち、ＳｉＯ_２の水透過性に起因して、水分がｐ型電極に到達し、このｐ型電極、そして最後にはデバイス全体が比較的急速に劣化すると考えられる。

上記したように、精巧なパッケージは、比較的壊れ易いダイ構造を保護する一つの選択である。しかしながら、製品の商業的な潜在能力を最大限に引き出すためには、ＩＩＩ族窒化物から形成される青色ＬＥＤは、ＩＩＩ族窒化物に比べて簡単な材料用に使用されているランプパッケージに類似した普通のランプパッケージ中に組み込むことができるような方法で製造されなければならない。

‘４０９出願で説明されているデバイスは改良された能力を示すが、いくつかの劣化に関する問題が残っている。
従って、通常の方法でパッケージすることができ、そして更に、広範で様々な商業用途でデバイスを有用なものにするほど充分な時間、常温と高温の両方及び高湿度の条件に申し分無く耐える強固なＬＥＤに関するニーズが存在し続けている。

発明の目的及び概要
本発明の態様は、ｐ型ＩＩＩ族窒化物（好ましくは窒化ガリウム）コンタクト層を有するＩＩＩ族ヘテロ接合ダイオード、前記ｐ型コンタクト層に対するオーミックコンタクト、及び前記オーミックコンタクト上に存在するスパッタ堆積された窒化珪素パッシベーション層を有するダイオードを含む。

別の態様では、本発明は、発光ダイオードとプラスチックレンズとから形成されたＬＥＤランプを含む。
別の態様では、本発明は：基板上に緩衝層を形成する工程、該緩衝層上に活性領域を形成する工程、該活性領域上にｐ型コンタクト層を形成する工程、該コンタクト層上に金属コンタクトを形成する工程、及び該コンタクト層上に窒化珪素パッシベーション層をスパッタ堆積させる工程を含む、ＬＥＤを製造する方法を含む。

本発明のこれらの及び他の目的及び利点は、添付の図面と以下の詳細な説明から更に容易に理解される。

窒化ガリウム系発光ダイオードの写真である。 図１の窒化ガリウム系発光ダイオードのいくぶん拡大した第二の写真である。 本発明によるＬＥＤの概略斜視図である。 本発明のダイオードを組み込んでいるＬＥＤランプの概略図である。 スパッタチャンバの該略図である。 ＰＥＣＶＤによるＳｉＮ堆積で加工されたＬＥＤダイと、スパッタされたＳｉＮで加工されたＬＥＤダイとに関する、ＶＦとアニール温度との関係を示すプロットである。

詳細な説明
本発明は、標準パッケージ中において高い信頼性を提供し且つ高温と高湿度の条件に耐える物理的に強固な発光ダイオードである。

背景で説明したように、オーミックコンタクトは、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの劣化を防止するために、物理的、機械的、環境的及びパッケージのストレスから保護されなければならない。

その点に関して、図１はＬＥＤ（「ダイ」）全体の写真である。図１のデバイスでは、二酸化珪素（ガラス）のパッシベーション層は、ダイの外縁を除いて除去した。ガラスが依然として存在している部分は、概略正方形のダイの外周の斑点又は着色された部分により一般的に表示される。この斑状の外観は、ガラスをダイから離層するときにガラス下の空気の隙間が変化するために生じる。図１に示されたダイにおいては、離層は、約３時の位置（時計回りに動く）で始まって、そして約１１：００時の位置に達する。上記パッシベーション層はダイの中央には存在せず、また、ワイヤボールボンドはボンドパッドに取り付けられたダイの真中に認められる。この特定の実施例では、パッシベーション層の中央部分は、試験後にダイが開封されている間に除去された。

図１に示されたダイのパッシベーション層は試験をしている間にパッケージ内で離層し、そして水分が上記パッシベーション層の下側に浸透した。この離層により、この特定のデバイスの初期光出力は約２０％減少した。次いで、上記水分はＬＥＤランプのエポキシレンズを通り、そしてランプパッケージの底部から導出されるリードの周りに浸透する傾向を示し、また上記の薄い半透明オーミックコンタクトを劣化させ、そして最終的には完全に破損させる。この破損により光出力は低下し、そしてデバイスの順電圧が増大する。図１のデバイスにおいて、オーミックコンタクトの破損は、暗く荒れた領域として上記ダイの中央のちょうど右側に認められる。

図２は図１のダイの拡大写真である。図２に示されているように、上記外周に残留するガラスは、デバイスの内部メサから破断されており、またｐ型コンタクトは破損している。暗く荒れた領域は、オーミックコンタクト（この例ではチタン及び金）が球状になっている場所である。公知のように、オーミックコンタクトは、ｐ型層と適合性が悪いため、ｐ型層を湿潤させるよりもむしろ玉になる傾向がある。而して、上記Ｔｉ／Ａｕが、ボンドパッドの周囲で球状になるにつれて、デバイスは徐々に切断される。更に、光は、上記コンタクトが不連続になる領域で、発生しなくなる。ｐ型窒化ガリウム表面は良導体ではなく、一般に高い抵抗率を示すので、空隙領域に広がる電流は乏しくなり、光の発生を助ける電流路を提供できなくなる。

図３は、高温及び高湿度の条件に耐えられる本発明のダイオードの第一態様を示している。このダイオードは総括的に１０で示され、そして炭化珪素基板１１を含み、その製造及び性質は、例えばＮｏ．ＲＥ３４，８６１（以前は 第４，８６６，００５号）を含む本発明の譲受人に譲渡された他の米国特許に明確に記述されている。好ましい態様では、上記炭化珪素基板は、炭化珪素の３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，及び１５Ｒのポリタイプから成る群より選択される単結晶であり、且つｎ型である。

好ましい態様では、本発明のＬＥＤは、更に、炭化珪素基板１１上に緩衝構造１２を含む。この緩衝構造は、炭化珪素基板１１からデバイスの残りのＩＩＩ族窒化物部分までの結晶及び機械的な転移の供給を助ける。適当な緩衝構造は、例えば米国特許第５，３９３，９９３号；第５，５２３，５８９号；第５，５９２，５０１号及び第５，７３９，５５４号に開示されており、それらは全て本発明に譲渡されており、またそれらの各内容は本願明細書に完全に引用されたものとする。ダイオード１０は、更に、緩衝構造１２上に形成されたＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合ダイオード構造の活性領域１３を含む。活性領域１３は、単一へテロ構造、二重ヘテロ構造、単一量子井戸構造又は複数量子井戸構造を含むことができる。前記構造の例は、その内容を本願明細書に完全に引用したものとする、“Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ＩｎＧａＮ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉ
ｏｄｅ”という名称で１９９８年９月１６日に出願された、同時係属の且つ共通に譲渡された米国特許出願第０９／１５４，３６３号で開示されている。

ｐ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層１４は、活性領域１３上に形成される。金属コンタクト１５は、基板１１に対して形成され、また別の金属コンタクト１６は、ｐ型窒化ガリウムエピタキシャル層に対して形成される。好ましくは、金属コンタクト１５及び１６は、基板１１及びコンタクト層１４それぞれに対してオーミック（すなわち、非整流）コンタクトを形成する。オーミックコンタクト１６は、白金、パラジウム、金、チタンと金の組合せ、白金と金の組合せ、チタンと白金と金の組合せ、又は白金と酸化インジウム錫の組合せから成る群より選択され、最も好ましくは白金又はパラジウムから形成される。ニッケル（Ｎｉ）は、ｎ型基板に対する好ましいオーミックコンタクト金属である。このデバイスは、オーミックコンタクト１６上のパッシベーション層１７で完成され、該パッシベーション層１７の適当な候補材料は、上記してあるが、最も好ましくは窒化珪素から形成される。

窒化珪素は、特に、デバイス上により良好なシールを形成し、例えば水のような汚染物質がデバイスのエピタキシャル層に達して、上記したような劣化を引き起こすのを防止するので、二酸化珪素に比べて好ましい。

最も好ましい態様では、窒化珪素は、スパッタによって堆積される。スパッタは、真空又は真空に近い環境において、材料の薄い層を堆積させるための公知の技術である。マイクロ波トランジスタ構造上にＳｉＮをスパッタする技術は、その内容を本願明細書に引用したものとする、２００１年１月２９日に出願された“Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｂａｓｅｄ ＦＥＴｓ ａｎｄ ＨＥＭＴｓ ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｔｒａｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ”という名称の米国特許出願第０９／７７１，８００号に記載されている。

図５は、基板又はデバイス又はデバイス前駆体の上に材料を堆積させるために用いることができる単純化されたスパッタチャンバ１００を示している。運転時には、半導体デバイス１０１をアノード１０２上に配置する。次に、チャンバ１０３を排気し、アルゴンのような不活性ガス１０４を、バルブ１０５を介して吹き込み、バックグラウンド圧力を維持する。カソード１０６は、基板又はデバイス上に堆積される材料（又は材料の成分）から作られる。電極１０７間に高電圧を印加することによって、不活性ガスはイオン化され、陽イオン１１０はカソード１０６へと加速する。カソード１０６に衝突すると、陽イオンは、カソード原子１１２と衝突し、その原子が突出されるのに充分なエネルギーを与える。スパッタされたカソード原子１１２は、空間を飛び、最後にはアノード１０２と、その上に存在する半導体デバイス１０１とを被覆する。他のスパッタユニットは、より複雑で精密であることができるが、殆ど同じ基本的な物理的機構で動作する。より複雑なスパッタシステムを用いると、ある範囲の金属及び誘電体層をスパッタし堆積させることができる。

好ましい態様では、カソード１０６は純粋な珪素ターゲットである。不活性ガスと一緒にスパッタチャンバ１０３の中に窒素ガスを流すことによって、窒化珪素形成のための窒素を提供する。スパッタされたターゲット材料（この場合は珪素）は反応ガス（窒素）と反応してＳｉＮを形成するので、この形態のスパッタリングは「反応性スパッタリング」として公知である。

第一の態様では、スパッタ堆積は、２００℃を超える温度で、最も好ましくは約４４０℃の温度で行って、封入を極限まで高め、デバイスをより高度に気密封止する。チャンバ１０３の圧力は、アルゴンガスと窒素ガスとの混合雰囲気において２０ミリトル（ｍＴｏ
ｒｒ）未満、好ましくは約１０〜２０ｍＴｏｒｒに維持すべきである。スパッタ速度は約４５Å／分に維持すべきであり、また、最適な封入のためにはフィルム全体の厚さが約１０００Åを超えるように堆積させるべきである。この態様では、窒化珪素のスパッタリングは、Ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ Ｆｉｌｍｓ，Ｉｎｃ．によって製造されたＥｎｄｅａｖｏｒスパッタシステムを用いて達成できる。本発明者は、いかなる特定の理論によっても束縛されたくないが、この圧力では（２０ｍＴｏｒｒ以下）、スパッタ法によって、実質的なイオン衝撃損傷がデバイスで引き起こされると現在考えられているが、スパッタ温度を上昇させると、イオン衝撃損傷がアニールされて、デバイスから前記損傷が除去されるとも考えられている。

この態様では、好ましいスパッタ法は、約２０ｍＴｏｒｒ未満の低圧までチャンバ１０３をポンプダウンし、約４０標準立法センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）の速度でアルゴンガスを流し、及び約２５ｓｃｃｍの速度で窒素ガス流を流す特定の工程を含む。チャンバ１０３の温度は、２００℃を超えて上昇させ、好ましくは約４４０℃である。約１００ＷのＲＦ電力及び約７００〜８００ＷのＤＣ電力を端末１０７に印加して、イオン化プラズマを創出する。その条件を約４０分間維持してＳｉカソード１０６をスパッタする。スパッタされた珪素は、窒素と反応し、ウェーハ上に窒化珪素の堆積を生成する。

別の態様では、スパッタ堆積は、室温ではあるが、より高い圧力において、例えば、混合されたＡｒ／Ｎ_２雰囲気中約８０〜１００ｍＴｏｒｒにおいて行うことができる。パルスＤＣ電源を用いて、スパッタ電極間の「スピッティング」及びアーク放電を減少させるべきである。バルスＤＣ電源を用いると、スパッタターゲット上のイオン衝撃の量が増加するが、デバイスをアニールしてイオン損傷を除去することは、スパッタがより高い圧力で行われる場合は、不要であることを見出した。この態様では、スパッタされたイオンのピークイオンエネルギーは低下するが、イオン束は増加し、その結果として、許容可能なスパッタ速度を維持しながらもイオン衝撃損傷は無視できる程度となると現在考えられている。この態様では、スパッタ速度は、好ましくは５０Å／分超に維持され、スパッタリングは、ＣＶＣ２８００スパッタシステムを用いて行うことができる。

この態様では、好ましいスパッタ法は、約８０〜１００ｍＴｏｒｒ圧力までチャンバ１０３をポンプダウンし、約８０ｓｃｃｍの速度でアルゴンガスを流し、そして約１０ｓｃｃｍの速度で窒素ガス流を流す特定の工程を含む。チャンバ１０３の温度は室温に保つ。約５μ秒のパルス時間及び約４０％のデューティーサイクルで約１０００Ｗの電力を有するパルスＤＣ電圧を、端末１０７に印加して、イオン化プラズマを創出する。この条件を約７５分間維持してＳｉカソード１０６をスパッタする。スパッタされた珪素は窒素と反応して、ウェーハ上に窒化珪素として堆積する。

上記のいずれかの態様において、窒化珪素は、好ましくは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の化学量論比と比較してわずかに珪素が少ない窒化珪素組成物として堆積される。すなわち、窒化珪素は、好ましくは、不定比組成物が得られる方法で堆積される。むしろ、光抽出を向上させるために、フィルム中の珪素の割合を減少させる。フィルム中の珪素の割合は、チャンバへの窒素ガスの流量を増加又は減少させることによって調整できる。

換言すれば、本願明細書で用いているように、「窒化珪素組成物」という用語は、珪素及び窒化物を含む、且つ互いに化学結合された珪素及び窒素を含む、且つＳｉ_３Ｎ_４の化学量論比の関係で結合されたいくつかを潜在的に含む組成物を指している。前記組成物は、組成物のいくつか又は全ての関係がＳｉ_３Ｎ_４以外の他の関係である不定比の組合せを含むこともできる。

本発明では、スパッタ技術によってＳｉＮフィルム中への望ましくないレベルの水素導
入が防止されるので、スパッタされた窒化珪素組成物は、従来のプラズマ増速化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法に比べて好ましい。当業者には公知のように、水素は、ＧａＮ系半導体において、Ｍｇ受容体を不動態化することができる。正確なメカニズムは完全には理解されておらず、また、本発明者はいかなる特定の運転理論によっても束縛されたくないが、現在のところでは、窒化珪素を、２００℃を超える堆積温度でＰＥＣＶＤによって堆積させると、フィルム中の水素が、薄いオーミックコンタクトを通ってｐ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層１４中に拡散して、層１４の表面に近い領域を不動態化させると理解されている。すなわち、表面近傍の領域では、実質的な数の受容体イオンは、フィルム中水素の導入によって中性に変わる。而して、オーミックコンタクトと窒素材料との界面は劣化し、コンタクト金属は理想的なオーム特性を示さない。それにより、デバイスにおいて順電圧が増加（ＶＦ劣化）することがある。実質的に、デバイスは、あたかも金属１６とコンタクト層１４との界面がオーミックコンタクトの代わりにショットキーコンタクトを形成するかのように挙動する。

対照的に、真空又は真空に近い条件下で堆積させるので、スパッタされた窒化珪素は、水素不純物を実質的に含有していないと考えられる。而して、スパッタシステムの全ての部品を清浄にし且つ乾燥させて水素による汚染を確実に防止することも好ましい。そのためには、スパッタリング前に部品を焼出ししなければならない場合がある。

更に、ＬＥＤチップを製造し且つダイシングしたら、以下でより詳細に説明してあるように、ランプパッケージング中に前記チップを取り付ける必要がある。チップをパッケージする方法では、しばしば、チップは、一定時間高温に曝露される。また、チップは、次の作業中にも高温に曝露できる。ＰＥＣＶＤ法を用いて窒化珪素が堆積されたチップでは、前記曝露により、時間の経過と共に順電圧が増加することがある（ＶＦ劣化）。現在のところ、この電圧増加は、窒化珪素パッシベーション層１７からＭｇドープトコンタクト層１４中への水素の拡散に起因して起こると理解されている。スパッタ技術を用いて窒化珪素組成物層を堆積させることによって（スパッタ堆積された窒化珪素組成物が得られる）、生じる劣化は実質的に低減又は排除される。

ＰＥＣＶＤ堆積が不可避である場合、水素拡散によって引き起こされる不動態化を相殺するために、より高度のドーピングレベルでＭｇドープトコンタクト層１４をドープすることによって、ＶＦ劣化をいくぶん補償できる。しかしながら、コンタクト層１４におけるＭｇのドーピングレベルを増加させると、Ｍｇドープトコンタクト層１４における結晶品質及び表面形態が損なわれることによって、デバイスに対して有害に作用することがある。

図６は、ＰＥＣＶＤ窒化珪素堆積で加工されたＬＥＤダイと、スパッタされた窒化珪素組成物で加工されたＬＥＤダイとに関する、ＶＦとアニール温度との関係を示すプロットである。ＬＥＤダイは、炭化珪素基板上にエピタキシャル層を堆積させることによって製造した。次に、基板を半分に切断した。窒化珪素パッシベーション層は、ウェーハの半分それぞれの上に堆積させた。該ウェーハの半分上にはＰＥＣＶＤ堆積を用いて窒化珪素パッシベーション層を堆積させ、該ウェーハのもう半分上には上記高温スパッタ法を用いて窒化珪素組成物パッシベーション層を堆積させた。ＬＥＤ加工法の残りの部分は従来の方法であり、ＬＥＤダイは、ウェーハの各半分から加工された。スパッタされた窒化珪素組成物を有する５つのダイ及びＰＥＣＶＤで堆積させた窒化珪素パッシベーション層を有する３つのダイを、２５０℃のアニール温度で５分間、急速熱アニールチャンバ内でアニールした。ダイそれぞれの順電圧は、アニール前及びアニール後に測定した。次に、ダイを、２９０℃のアニール温度で５分間、再びアニールした。ダイそれぞれの順電圧を、再アニール後に測定した。これらの試験結果を平均したものを図６にプロットした。図６で認められるように、ＰＥＣＶＤを用いて窒化珪素を堆積させたＬＥＤでは、２５０℃で５分
間アニールした後で、平均ＶＦの増加は０．１Ｖをほんの少し超え、一方、窒化珪素組成物をスパッタ堆積させたＬＥＤでは、ＶＦがわずかに低下した（すなわち、改善）。ＰＥＣＶＤを用いて窒化珪素を堆積させたＬＥＤでは、２９０℃で５分間アニールした後で、平均ＶＦの増加は０．７Ｖを超え、一方、窒化珪素組成物をスパッタ堆積させたＬＥＤでは、２９０℃で５分間アニールした後で、ＶＦは殆ど０．１Ｖ低下した。

而して、一つの面では、本発明は：基板上に緩衝層を形成する工程、該緩衝層上に活性領域を形成する工程、該活性領域上にｐ型コンタクト層を形成する工程、該コンタクト層上に金属コンタクトを形成する工程、及び該金属コンタクト上に窒化珪素組成物パッシベーション層をスパッタ堆積させる工程を含む、発光ダイオードを製造する方法を含む。好ましくは、基板は導電性の単結晶炭化珪素基板であり、コンタクト層はＭｇドープトＧａＮを含み、及び金属コンタクトは白金を含む。

最も好ましい態様では、既に引用した１９９８年９月１６日に出願された“Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ＩｎＧａＮ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ”という名称の米国特許出願第０９／１５４，３６３号に記載されているように、ヘテロ構造ダイオードは、単一へテロ構造、二重ヘテロ構造、単一量子井戸構造、又は複数量子井戸構造である。

表１には、以下に掲げたそれらのオーミックコンタクト材料を本発明のデバイスに対する適性に関して要約してある。表１で使用される等級尺度で、“Ａ”は優れた特性を意味するが、“Ｃ”は一般的に劣った特性を意味する。

図３に示すように、好ましい態様では、オーミックコンタクト１６は上記ｐ型窒化ガリウム層の実質的な部分を被覆して、上記ｐ型窒化ガリウム層を横断して広がる電流を励起する。オーミックコンタクト１６はデバイスの発光部分を被覆しているため、このオーミックコンタクトは好ましくは半透明になるほど充分に薄い。

図３に図示してあるダイオードは、多くの特有な用途で用いることができる。一つの有用な用途は、表示装置であり、典型的には、本発明の複数の発光ダイオードが組み込まれている「数字」又は「英数字」表示装置であるが、それらに限定されない。ある種の態様では、本発明による青色発光ダイオードには、赤−緑−青（“ＲＧＢ”）ピクセル（画素）を形成するために赤及び緑のＬＥＤが組み込まれている。このようなピクセルは、別個に三原色を生成できるため、人間の目に見えるほとんど全ての色を生成する能力を有する。

他の用途では、図３に図示してあるダイオード１０のようなダイオードがＬＥＤランプ中に組み込まれる。而して、図４には、そのような典型的なランプの一つの例が示してある。図４は本発明のダイオードを組み込むために使用できるランプ構造のタイプの単純な例であり、本発明のダイオードが使用できるランプのタイプをなんら限定するものではないことが当然理解される。

図４において、ランプ２０は、プラスチック（即ち、ポリマー）のレンズ２１内に封入された本発明によるダイオード１０を含む。レンズ用のプラスチック材料は、当業者には公知の幅広いポリマー材料から過度の実験をすることなく選択できる。多くの場合、レンズ２１はエポキシ樹脂から形成される。ランプ２０は、このランプを他の電子回路素子に電気的に接続するための金属リードフレーム２２を更に含む。図４に示してあるように、金属リードフレーム２２は、アノード２３及びカソード２４を含む。

本発明のダイオードの態様において、複数のランプ２０を組み込んで適当な表示装置を形成できる。特に、このタイプの窒化ガリウムデバイスは可視スペクトルの青色部分で発色するので、本発明によるランプは、赤及び緑のＬＥＤランプと一緒に有利に組み込んで、フルカラーの表示装置を形成できる。これらの表示装置は、例えば、“Ｔｒｕｅ Ｃｏｌｏｒ Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｍｏｄｕｌｅ”という名称で１９９５年１２月２９日に出願された第０８／５８０，７７１号の分割出願である同時係属の且つ共通に譲渡された出願第０９／０５７，８３８号及び“ＬＥＤ Ｄｏｔ Ｍａｔｒｉｘ Ｄｒｉｖｅ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ”という名称で１９９８年９月２２日に発行された米国特許第５，８１２，１０５号に記載されている。

図面及び明細書で、本発明の代表的な態様が開示され、特定の用語が用いられているが、それらは単に総括的且つ説明的に使用しているのみであって、本発明の範囲を制限するためではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲に記載されている。

Claims (12)

1. 単一へテロ構造、二重ヘテロ構造、単一量子井戸及び多重量子井戸から成る群より選択されるＩＩＩ族窒化物活性領域；
   該活性領域上のｐ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層；
   該ｐ型コンタクト層上の半透明の金属コンタクト；及び
   該金属コンタクト上の不定比の窒化珪素組成物からなるパッシベーション層
   を含む縦型発光ダイオード。
2. 該窒化珪素組成物が、珪素欠乏である請求項１記載の発光ダイオード。
3. 該ｐ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層が窒化ガリウムを含む請求項１記載の発光ダイオード。
4. 該パッシベーション層が、約１０００Åの厚さを有する請求項２記載の発光ダイオード。
5. 該基板がｎ型であり、且つ該基板に対する該オーミックコンタクトがニッケルである請求項１記載の発光ダイオード。
6. 該金属コンタクト及び該パッシベーション層が、実質的に互いに非反応性であって且つ互いに充分に接着している請求項１記載の発光ダイオード。
7. 該金属コンタクトが、白金、パラジウム、金、チタンと金の組合せ、白金と金の組合せ、チタンと白金と金の組合せ、及び白金と酸化インジウム錫の組合せから成る群より選択される請求項１記載の発光ダイオード。
8. 該金属コンタクトが、白金を含む請求項１記載の発光ダイオード。
9. 請求項１記載の発光ダイオードを複数組み込んでいる表示装置。
10. 可視スペクトルの青色部分で発光する請求項１記載の発光ダイオード；
    赤色発光ダイオード；及び
    緑色発光ダイオード
    を含むピクセル。
11. プラスチックレンズと；
    該活性領域が、ｐ型ＩＩＩ族窒化物コンタクト層を有するＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合ダイオードを含む請求項１記載の発光ダイオードと
    を含むＬＥＤランプ。
12. 該ＩＩＩ族窒化物コンタクト層が、窒化ガリウムを含む請求項１１記載のＬＥＤランプ。