JP2012500479A

JP2012500479A - 両面不動態化を伴う半導体発光デバイスを製造するための方法

Info

Publication number: JP2012500479A
Application number: JP2011523287A
Authority: JP
Inventors: フェンイチアン，; リワン，
Original assignee: ラティスパワー（チアンシ）コーポレイション
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2012-01-05
Also published as: US20110140081A1; KR20110049799A; WO2010020066A1; CN102067345A; EP2316138A1

Abstract

半導体発光デバイスを製造するための方法は、第１の基板上に多層半導体構造を製造することを含み、多層半導体構造は、第１のドープ半導体層と、ＭＱＷ活性層と、第２のドープ半導体層と、第１の不動態化層とを備える。該方法はさらに、第１のドープ半導体層を露出させるように、第１の不動態化層の一部をパターン化およびエッチングすることを含む。次いで、第１のドープ半導体層に連結される、第１の電極が形成される。次に、多層構造が第２の基板に接合され、第１の基板が除去される。第２のドープ半導体層に連結される、第２の電極が形成される。さらに、多層構造の側壁、および第２の電極によって覆われていない第２のドープ半導体の表面の一部を実質的に覆う、第２の不動態化層が形成される。

Description

本発明は、半導体発光デバイスを製造するための方法に関する。より具体的には、本発明は、漏れ電流を効果的に低減し、かつデバイス信頼性を高める両面不動態化を伴う、新規の半導体発光デバイスを製造するための方法に関する。

固体電光は、照明技術の次の波をもたらすことが期待されている。高輝度発光ダイオード（ＨＢ−ＬＥＤ）は、従来の照明用の電球に代わる表示デバイス用の光源として機能することから、数多くの用途に出現している。典型的に、コスト、効率、および輝度は、ＬＥＤの商業化の可能性を決定するための３つの主要な評価指標である。

ＬＥＤは、正にドープされた層（ｐ型ドープ層）と負にドープされた層（ｎ型ドープ層）との間に「はさまれた」、活性領域から光を発生する。ＬＥＤが順バイアスされた時に、ｐ型ドープ層からのホールおよびｎ型ドープ層からの電子を含む担体は、活性領域の中で再結合する。直接バンドギャップ材料において、この再結合プロセスは、その波長が活性領域の中の材料のバンドギャップエネルギーに相当する、光子の形態の、または光のエネルギーを放出する。

ＬＥＤの高い効率を確保するために、ＬＥＤの側表面等の他の場所の代わりに、活性領域の中だけで、担体に再結合させることが望ましい。しかしながら、ＬＥＤの側表面の結晶構造の急激な終端により、多数の再結合中心が、このような表面上に存在する。加えて、ＬＥＤの表面は、その周囲の環境に非常に敏感であり、それは、付加的な不純物および欠陥を助長し得る。環境的に誘発された損傷は、ＬＥＤの信頼性および安定性を大幅に低下させる可能性がある。湿度、イオン不純物、外部電場、熱等の種々の環境要因からＬＥＤを遮断し、ＬＥＤの機能性および安定性を保持するために、表面清浄を保持すること、および信頼性のあるＬＥＤパッケージングを確保することが重要である。さらに、表面不動態化を使用してＬＥＤの表面を保護することも重要であり、これは、典型的に、ＬＥＤの表面上に、非反応性材料の薄層を蒸着することを伴う。

図１は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、ｐ型（またはｎ型）ドープ半導体層１０８、ｐ側（またはｎ側）電極１１０、および基板１１２に基づいて、上から下に、不動態化層１００と、ｎ側（またはｐ側）電極１０２と、ｎ型（またはｐ型）ドープ半導体層１０４と、活性層１０６とを伴う垂直電極構成を伴うＬＥＤのための、従来の不動態化方法を示す。

不動態化層は、ＬＥＤ表面での望ましくない担体再結合を低減する。図１に示される垂直電極ＬＥＤ構造について、表面再結合は、ＭＱＷ活性領域１０６の側壁に生じる傾向がある。しかしながら、例えば図１に示される層１００といった従来の不動態化層による側壁被覆率は、しばしば理想的なものではない。不十分な側壁被覆率は、典型的に、プラズマ強化化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）およびマグネトロンスパッタリング蒸着等の、標準的な薄膜蒸着技術に起因するものである。大部分の垂直電極ＬＥＤの事例であるが、不動態化層による側壁被覆率の品質は、例えば２μｍよりも高いステップといった、急勾配のステップを伴うデバイスにおいてより悪くなる。このような状況の下で、不動態化層は、しばしば、多数の細孔を含有し、それらは、担体の表面再結合を低減するその能力を大幅に低下させる可能性がある。増大した表面再結合率は、その結果、逆方向漏れ電流の量を増大させ、低下したＬＥＤの効率および安定性をもたらす。加えて、ｐ側電極を形成する金属は、活性領域の中に拡散する可能性があり、増大した漏れ電流をもたらす。

本発明の一実施形態は、半導体発光デバイスを製造するための方法を提供する。該方法は、第１の基板上に多層半導体構造を製造するステップを含み、多層半導体構造は、第１のドープ半導体層と、ＭＱＷ活性層と、第２のドープ半導体層と、第１の不動態化層とを備える。該方法はさらに、第１のドープ半導体層を露出させるように、第１の不動態化層の一部をパターン化およびエッチングするステップを含む。次いで、第１のドープ半導体層に連結される、第１の電極が形成される。次に、多層構造が第２の基板に接合され、第１の基板が除去される。第２のドープ半導体層に連結される、第２の電極が形成される。さらに、第１および第２のドープ半導体層の側壁、ＭＱＷ活性層、および第２の電極によって覆われていない第２のドープ半導体の表面の一部を実質的に覆う、第２の不動態化層が形成される。

この実施形態の変形例において、第２の基板は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＳｉＣといった材料うちの少なくとも１つを含む。

この実施形態の変形例において、第１の不動態化層は、ＧａＮおよびＡｌＮといった材料のうちの少なくとも１つを含む。

この実施形態の変形例において、第２の不動態化層は、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、およびＳｉＯ_ｘＮ_ｙといった材料のうちの少なくとも１つを含む。

この実施形態の変形例において、第１のドープ半導体層は、ｐ型ドープ半導体層である。

この実施形態の変形例において、第２のドープ半導体層は、ｎ型ドープ半導体層である。

この実施形態の変形例において、ＭＱＷ活性層は、ＧａＮと、ＩｎＧａＮとを含む。

この実施形態の変形例において、第１の基板は、所定のパターンの溝およびメサを含む。

この実施形態の変形例において、第２の不動態化層の形成は、プラズマ強化化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、マグネトロンスパッタリング蒸着、および電子ビーム（ｅビーム）蒸発といったプロセスのうちの少なくとも１つを伴う。

この実施形態の変形例において、第１の不動態化層の厚さは、１００オングストロームから２，０００オングストロームの間であり、第２の不動態化層の厚さは、３００オングストロームから１０，０００オングストロームの間である。

図１は、垂直電極構成を伴うＬＥＤのための従来の不動態化方法を示す図である。図２Ａは、本発明の一実施形態による、予めパターン化された溝およびメサを伴う基板の一部を示す図である。図２Ｂは、本発明の一実施形態による、予めパターン化された基板の断面を示す図である。図３は、本発明の一実施形態による、両面不動態化を伴う発光デバイスを製造するプロセスを示す図である。図３は、本発明の一実施形態による、両面不動態化を伴う発光デバイスを製造するプロセスを示す図である。

以下の説明は、あらゆる当業者が本発明を作製して使用することを可能にするように提示され、特定の用途および要件に照らして提供される。開示された実施形態に対する種々の変更は、当業者には容易に明らかになるであろうし、また本明細書で定義された一般的な原理は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の実施形態および応用に適用されてもよい。したがって、本発明は、示される実施形態に限定されるのではなく、特許請求の範囲と矛盾しない最も広い範囲を与えられるべきである。

概要
本発明の実施形態は、両面不動態化を伴うＬＥＤデバイスを製造するための方法を提供する。デバイスの両方の頂部および底部側を覆う両面の不動態化は、担体の表面再結合を効果的に低減することができ、ＬＥＤデバイスの向上した信頼性をもたらす。本発明の一実施形態において、（ｎ型ドープ層と、ｐ型ドープ層と、および活性層とを含む）多層半導体構造の外面に単一の不動態化層だけを蒸着する代わりに、２つの不動態化層（頂部不動態化層および底部不動態化層）が蒸着される。底部不動態化層の存在は、活性領域とｐ側（またはｎ側）電極の側壁との間に実質的な遮蔽を提供する。本発明の一実施形態において、底部不動態化層は、多層構造を形成するのと同じ蒸着プロセスを使用して形成され、したがって、製造プロセスを簡略化する。

基板の調製
ＩｎＧａＡｌＮ（Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）は、短波長発光デバイスを製造するための最適な材料のうちの１つである。高品質で低コストである短波長ＬＥＤの大量生産を促進するように、クラックを含まない多層ＩｎＧａＡｌＮ構造を従来の大面積基板（Ｓｉウエハ等）上に成長させるために、溝およびメサを伴う基板を予めパターン化する成長方法が導入される。溝およびメサを伴う基板を予めパターン化することで、基板表面と多層構造との間の格子定数および熱膨張係数の不一致によって引き起こされる、多層構造の中の応力を効果的に開放することができる。

図２Ａは、本発明の一実施形態による、フォトリソグラフおよびプラズマエッチング技術を使用して予めエッチングされたパターンを伴う、基板の一部の上面図を示す。正方形メサ２００および溝２０２は、エッチングに起因するものである。図２Ｂは、本発明の一実施形態による、図２Ａの水平線ＡＡ’に沿った、予めパターン化された基板の断面図を示すことによって、メサおよび溝の構造をより明確に示す。図２Ｂに示されるように、溝２０４の側壁は、メサ２０６、ならびに部分メサ２０８および２１０等の分離メサ構造の側壁を効果的に形成する。各メサは、それぞれの半導体デバイスを成長させるための、独立した表面積を画定する。

半導体基板上に溝およびメサを形成するように、異なるリソグラフおよびエッチング技術を適用することが可能であることに留意されたい。また、図２Ａに示されるように正方形メサ２００を形成すること以外に、溝２０２のパターンを変えることによって、代替の幾何学形状を形成できることにも留意されたい。これらの代替幾何学形状のうちのいくつかには、三角形、長方形、円形、平行四辺形、六角形、または他の不規則形状が挙げられるが、これらに限定されない。

両面不動態化を伴う発光デバイスの製造
図３は、本発明の一実施形態による、両面不動態化を伴う発光デバイスを製造するプロセスを示す図である。工程３Ａにおいて、溝およびメサを伴う予めパターン化された基板を調製した後に、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）が挙げられるが、これに限定されない、種々の成長技術を使用して、ＩｎＧａＡｌＮ多層構造を形成することができる。製造されたＬＥＤ構造は、Ｓｉウエハであることができる、基板３０２と、ＳｉドープＧａＮ層であることができる、ｎ型ドープ半導体層３０４と、ＧａＮ／ＩｎＧａＮＭＱＷ構造であることができる、活性層３０６と、ＭｇドープＧａＮ層であることができる、ｐ型ドープ半導体層３０８とを含むことができる。ｐ型層とｎ型層との間の成長のシーケンスを逆にすることが可能であることに留意されたい。

工程３Ｂにおいて、第１の（底部）不動態化層３１０は、ＩｎＧａＡｌＮ多層構造を形成するのと同じ成長技術を使用して、ｐ型ドープ半導体層の頂部に形成される。本発明の一実施形態において、底部不動態化層３１０は、同じＭＯＣＶＤ成長技術を使用して形成される。不動態化層３１０を形成するために同じ成長技術を使用することは、ＩｎＧａＡｌＮ多層構造および底部不動態化層の両方を成長させるために１つのＭＯＣＶＤ成長ステップだけしか必要としないので、製造プロセスを簡単にする。底部不動態化層３１０を形成するために使用することができる材料には、非ドープＧａＮおよび非ドープＡｌＮが挙げられるが、これらに限定されない。底部不動態化層の厚さは、１００から２，０００オングストロームの間であることができる。一実施形態において、底部不動態化層は、約５００オングストロームの厚さである。工程３Ｂに対応する図は、底部不動態化層３１０の蒸着後の断面を示す。

工程３Ｃにおいて、不動態化層３１２の一部をエッチング除去して、ｐ型ドープ層３０８の一部を露出させるように、フォトリソグラフおよびエッチング技術が適用される。一実施形態において、エッチング除去すべき面積は、電気接点のための十分な面積、およびデバイスのｐ側電極と縁部との間の十分な距離の両方を達成することができるように選択される。図３Ｄは、不動態化層３１２の部分エッチング後の多層構造の上面図を示す。ｐ型ドープ層３０８の露出領域は、正方形以外の他の幾何学形状を有することができることに留意されたい。不動態化層３１２およびｐ型ドープ層３０８の材料組成が類似しているので、不動態化層３１２の一部をエッチングするように、ドライエッチング技術を使用することができる。しかしながら、ある条件下では、不動態化層３１２の一部をエッチングするように、ウエットエッチング技術を使用することも可能である。本発明の一実施形態において、ある成長条件下では、ｐ型ドープ層３０８は、Ｇａ極性ＩｎＧａＡｌＮ表面を有し、非ドープＧａＮ不動態化層３１２は、Ｎ極表面を有する。したがって、ｐ型不動態化層３０８を実質的にそのままにしながら、非ドープＧａＮ不動態化層３１２の一部をエッチング除去するように、選択的な化学的エッチングを使用することができる。本発明の一実施形態において、非ドープＧａＮ不動態化層３１２の一部を選択的にエッチング除去するように、Ｈ_３ＰＯ_４溶液を使用することができる。

工程３Ｅにおいて、底部不動態化層３１２の部分エッチング後に、電極を形成するように、金属層３１４が多層構造３１６の上側に蒸着される。多層構造３１６の頂部層がｐ型ドープ材料である場合、電極は、ｐ側電極である。ｐ側電極は、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、およびその合金等の、複数の種類の金属を含んでもよい。金属層３１４は、電子ビーム（ｅビーム）蒸発等の蒸発技術を使用して蒸着することができる。

工程３Ｆにおいて、支持導電構造３１８と接合するように、多層構造３１６を上下反転させる。一実施形態において、支持導電構造３１８は、支持基板３２０と、接合層３２２とを含むことに留意されたい。加えて、接合プロセスを促進するように、接合金属の層を金属層３１４上に蒸着することができる。支持基板層３２０は、導電性であり、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、クロム（Ｃｒ）、および他の材料を含んでもよい。接合層３２２は、金（Ａｕ）を含んでもよい。図３Ｇは、接合後の多層構造を示す。

工程３Ｈにおいて、基板３０２は、除去される。基板層３０２の除去のために使用することができる技術には、機械研削、ドライエッチング、化学エッチング、および上述の方法のあらゆる組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態において、基板３０２の除去は、化学エッチングプロセスを採用することによって完了され、これは、フッ化水素酸、硝酸、および酢酸を主成分とする溶液の中に多層構造を浸すことを伴う。支持基板層３２０は、随意に、この化学エッチングから保護できることに留意されたい。

工程３Ｉにおいて、表面の再結合中心を低減して、デバイス全体を通して高い材料品質を確保するように、多層構造の縁部が除去される。しかしながら、成長手順が多層構造の良好な縁部の品質を保証できるならば、この縁部除去工程は、随意とすることができる。

工程３Ｊにおいて、縁部除去後に、別の電極３２４が多層構造の頂部に形成される。なお、ウエハ接合プロセス中に多層構造３１２が上下反転されたので、現在の頂部層は、ｎ型ドープ半導体層である。したがって、新たに形成された電極は、ｎ側電極３２４である。金属組成物およびｎ側電極の形成プロセスは、ｐ側電極のそれに類似したものであることができる。

工程３Ｋにおいて、第２の（または頂部）不動態化層３２６が蒸着される。頂部不動態化層を形成するために使用することができる材料には、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、およびＳｉＯ_ｘＮ_ｙが挙げられるが、これらに限定されない。頂部不動態化層を蒸着するように、ＰＥＣＶＤおよびマグネトロンスパッタリング蒸着等の種々の薄膜蒸着技術を使用することができる。頂部不動態化層の厚さは、３００から１０，０００オングストロームの間になることができる。本発明の一実施形態において、頂部不動態化層は、約２，０００オングストロームの厚さを有する。

工程３Ｌにおいて、ｎ側電極を露出させるように、フォトリソグラフパターニングおよびエッチングが、頂部不動態化層３２６に適用される。

本発明の実施形態の上述の記述は、図示および説明のために示したものである。本記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。したがって、多くの修正および変形が、当業者に明白になるであろう。加えて、上述の開示は、本発明を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって画定される。

Claims

半導体発光デバイスを製造するための方法であって、該方法は、
第１の基板上に多層半導体構造を製造することであって、該多層半導体構造は、第１のドープ半導体層と、ＭＱＷ活性層と、第２のドープ半導体層と、第１の不動態化層とを備える、ことと、
該第１のドープ半導体層を露出させるように、該第１の不動態化層の一部をパターン化およびエッチングすることと、
該第１のドープ半導体層に連結される、第１の電極を形成することと、
該多層構造を第２の基板に接合することと、
該第１の基板を除去することと、
該第２のドープ半導体層に連結される、第２の電極を形成することと、
該第１および第２のドープ半導体層の側壁、該ＭＱＷ活性層、および該第２の電極によって覆われていない該第２のドープ半導体層の表面の一部を実質的に覆う、第２の不動態化層を形成することと
を含む、方法。
前記第２の基板は、
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＳｉＣの材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の不動態化層は、
非ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）および非ドープ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の不動態化層は、
酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、および酸窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）の材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１のドープ半導体層は、ｐ型ドープ半導体層である、請求項１に記載の方法。
前記第２のドープ半導体層は、ｎ型ドープ半導体層である、請求項１に記載の方法。
前記ＭＱＷ活性層は、ＧａＮと、ＩｎＧａＮとを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の基板は、溝およびメサの所定のパターンを備える、請求項１に記載の方法。
前記第２の不動態化層は、プラズマ強化化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、マグネトロンスパッタリング蒸着、およびｅビーム蒸着のプロセスのうちの１つによって形成される、請求項１に記載の方法。
前記第１の不動態化層の厚さは、１００オングストロームから２，０００オングストロームの間であり、前記第２の不動態化層の厚さは、３００オングストロームから１０，０００オングストロームの間である、請求項１に記載の方法。
半導体発光デバイスであって、
基板と、
該基板の上側に位置する、第１のドープ半導体層と、
該第１のドープ半導体層の上側に位置する、第２のドープ半導体層と、
該第１および第２のドープ半導体層の間に位置する、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層と、
該第１のドープ半導体層に連結される第１の電極と、
オーミック接触領域以外の領域の中で該第１の電極と該第１のドープ半導体層との間に位置する、第１の不動態化層であって、該第１の不動態化層は、該第１の電極を、該第１のドープ半導体層の縁部から実質的に絶縁し、それによって、表面再結合を低減する、第１の不動態化層と、
該第２のドープ半導体層に連結される第２の電極と、
該第１および第２のドープ半導体層の側壁、該ＭＱＷ活性層、および該第２の電極によって覆われていない該第２のドープ半導体層の表面の一部を実質的に覆う、第２の不動態化層と
を備える、半導体発光デバイス。
前記基板は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＳｉＣの材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
前記第１の不動態化層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
第２の不動態化層は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、および酸窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）の材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
前記第１のドープ半導体層は、ｐ型ドープ半導体層である、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
前記第２のドープ半導体層は、ｎ型ドープ半導体層である、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
前記ＭＱＷ活性層は、ＧａＮと、ＩｎＧａＮとを含む、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
前記第１および第２のドープ半導体層は、所定のパターンの溝およびメサを伴って基板上に成長させられる、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
前記第２の不動態化層は、プラズマ強化化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、マグネトロンスパッタリング蒸着、または、電子ビーム（ｅビーム）蒸発のプロセスのうちの少なくとも１つによって形成される、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
前記第１の不動態化層の厚さは、１００オングストロームから２，０００オングストロームの間であり、前記第２の不動態化層の厚さは、３００から１０，０００オングストロームの間である、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。