JP2012532438A - Ｉｉｉ−ｐ半導体発光デバイスのｐコンタクト層 - Google Patents

Abstract

デバイスは、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された少なくとも１つのＩＩＩ−Ｐ発光層を有する半導体構造を含む。該半導体構造は更に、ｘ＜０．４５であるＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層を含んでいる。第１のメタルコンタクトが、前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層と直接的に接触する。第２のメタルコンタクトが前記ｎ型領域に電気的に接続される。第１及び第２の金属コンタクトは、前記半導体構造の同一面に形成される。

Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｐ発光デバイスに関し、より具体的には、フリップチップ型ＩＩＩ−Ｐ発光デバイスのコンタクト層に関する。

赤色から琥珀色までの可視波長を生成するために、例えば（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＰ発光ダイオード（ＬＥＤ）などのＩＩＩ族−Ｐ半導体デバイスが使用されている。ＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤは典型的に、発光活性層を挟んだｐ型層とｎ型層とを含むエピタキシャル層を、ＧａＡｓ成長基板上に成長させることによって形成される。高品質の三元基板及び四元基板は製造するのが困難であるため、ＧａＡｓ基板が一般的に使用されている。低欠陥のＬＥＤ層を作り出すためには、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＰエピタキシャル層の格子定数がＧａＡｓの格子定数に一致しなければならない。ＧａＡｓの格子定数との一致のため、ｙ＝０．４８にされる。ｘの値は、所望の発光波長を達成するために調整される。

特許文献１に記載されたフリップチップＩＩＩ−Ｐ ＬＥＤを図１に示す。成長基板（図示せず）上に、ｎ型ＡｌＩｎＰの下部閉じ込め層２２が成長される。このＡｌＩｎＰ閉じ込め層２２は、活性層のバンドギャップより高いバンドギャップを有する。閉じ込め層２２上に、複数の層を有し得る（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｐの活性層２４が成長される。活性層２４上に、ＡｌＩｎＰのｐ型上部閉じ込め層２６が成長される。層２６上に、高濃度ドープされたｐ型ＡｌＩｎＧａＰコンタクト層７１が設けられ得る。電気コンタクトのためにｎ−ＡｌＩｎＰ閉じ込め層２２を露出させるように、層２４、２６及び７１がエッチングされる。そして、ｎ−ＡｌＩｎＰ閉じ込め層２２と電気的に接触するように金属ｎ電極８３が形成されるとともに、ｐ＋ＡｌＩｎＧａＰ層７１と接触するようにｐ電極８４が形成される。

ｐ電極及びｎ電極は、パッケージ素子８７上の金属パッドに接合される。上記基板は、これらの電極をパッケージ素子に接合した後に除去されてもよい。ビアが、パッケージ素子８７の頂面の金属パッドを、パッケージ素子８７の底面のｐ電極９０及びｎ電極９１に電気的に結合する。電極９０、９１は、回路基板上のパッド、又は別のパッケージ上のパッドにはんだ付けされ得る。

ＬＥＤの頂面（この例において、ｎ−ＡｌＩｎＰ層２２）は、光抽出機構９２を有するように更に処理される。該機構は、粗面加工、又は光出力を増大させるための、例えば規則的なテクスチャリング若しくはフォトニック結晶構造などの、その他の技術を含み得る。

米国特許第７２４４６３０号明細書

本発明の１つの目的は、ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層と、該ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘ ｐコンタクト層に直接的に接触したメタルコンタクトとを備えたデバイスを形成することである。本発明の実施形態は、従来のＩＩＩ−Ｐデバイスより低いコンタクト抵抗を有し得る。

本発明の実施形態によれば、デバイスは、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された少なくとも１つのＩＩＩ−Ｐ発光層を有する半導体構造を含む。該半導体構造は更に、ｘ＜０．４５であるＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層を含んでいる。第１のメタルコンタクトが、前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層と直接的に接触する。第２のメタルコンタクトが前記ｎ型領域に電気的に接続される。第１及び第２の金属コンタクトは、前記半導体構造の同一面に形成される。

従来技術に係るフリップチップＩＩＩ−Ｐ ＬＥＤを例示する図である。 成長基板上に成長されたＩＩＩ−Ｐデバイス構造を例示する図である。 ｐコンタクトを形成し、メサをエッチングし、且つｎコンタクトを形成した後の、図２の構造を例示する図である。 マウント上に搭載されたＩＩＩ−Ｐデバイスを例示する図である。 従来のコンタクト層を有するデバイスの一部のエネルギーバンド図を例示する図である。 本発明の実施形態に係るデバイスの一部のエネルギーバンド図を例示する図である。

例えば図１に示すデバイスなどのデバイスにおいて、コンタクト層７１は典型的にＧａＰである。金属−半導体界面での光子散乱によって生じる反射を抑制することなくＧａＰへのオーミックｐコンタクトを形成することは困難である。ｐメタル−半導体界面は好ましくは、光子散乱を最小化するために、可能な限り平滑且つ一様にされる。従来のＧａＰコンタクト層上に形成されるｐメタルコンタクトは、典型的に、金属スパイク及び不均一な界面をもたらし、それにより不所望の光子散乱を生じさせる。

本発明の実施形態においては、ＧａＰコンタクト層ではなく、ＧａＡｓＰコンタクト層の上に金属ｐコンタクトが形成される。

図２−４は、本発明の実施形態に係るデバイスの形成法を例示している。図２において、ＧａＡｓ又は何らかの好適な成長基板とし得る成長基板１０上にデバイス構造が成長されている。先ず、ｎ型領域１２が成長基板１０上に成長される。ｎ型領域１２は、異なる組成及びドーパント濃度の複数の層を含み得る。該複数の層は、例えば、ｎ型あるいは意図的にはドープされないものとし得るバッファ層若しくは核生成層などのプリパレーション層と、後の成長基板の除去（リリース）若しくは基板除去後の半導体構造の薄化を容易にするように設計されるリリース層と、発光領域が効率的に光を放射するのに望ましい特定の光学特性若しくは電気特性に合わせて設計されるｎ型若しくはｐ型のデバイス層とを含む。ｎ型領域１２は、例えば、ｘ＝０．４とした（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐのｎコンタクト層を含み得る。

発光領域又は活性領域１４がｎ型領域１２上に成長される。活性領域１４は、単一の厚い、あるいは薄い発光層であってもよいし、バリア層によって分離された複数の薄い、あるいは厚い量子井戸発光層を含んだマルチ量子井戸活性領域であってもよい。

ｐ型領域１６が活性領域１４上に成長される。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域は、異なる組成、厚さ及びドーパント濃度の複数の層を含むことができ、意図的にはドープされていない層又はｎ型層を含んでいてもよい。ｐ型領域１６は、例えば、ＧａＰ又はＡｌＩｎＰのｐクラッド層を含み得る。一部の実施形態において、ｐ型領域１６は、活性領域に隣接したクラッド層と、該クラッド層と後述のコンタクト層との間に配置された遷移領域とを含む。例えば、クラッド層は１．５μｍ厚のＡｌ_０．４８Ｉｎ_０．５２Ｐ（又はＡｌＩｎＧａＰ）層とすることができ、遷移領域は、厚い（厚さ２０−５０００Å）組成的に傾斜した、例えばＡｌＩｎＰから（Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｐまで傾斜された、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層とすることができる。

本発明の実施形態によれば、ｐ型領域１６上にｐコンタクト層１８が成長される。ｐコンタクト層１８は例えばＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘとし得る。この材料が吸収を最小化するために間接バンドギャップ領域内にあるように、Ａｓの組成量ｘは０．４５未満にされる。ｐコンタクト層１８は、一定の組成量ｘを有していてもよいし、ｘ＝０（ＧａＰ）からｘ＜０．４５としたＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘまで、組成的に傾斜されてもよい。一定組成量ｘを有するｐコンタクト層１８では、一部の実施形態において０＜ｘ＜０．４５であり、一部の実施形態において０．２＜ｘ＜０．４であり、一部の実施形態においてｘ＝０．３である。組成的に傾斜したｐコンタクト層１８では、ｘは一部の実施形態において０から０．４５まで傾斜され、一部の実施形態において０から０．２と０．４との間まで傾斜され、一部の実施形態において０から０．３まで傾斜される。ｐコンタクト層１８は、例えばＭｇ、Ｚｎ又はＣで３ｅ１８ｃｍ^−３と１ｅ１９ｃｍ^−３との間の濃度にドープされてもよい。ｐコンタクト層１８は例えば、一部の実施形態において２０Åと２μｍとの間の厚さ、一部の実施形態において０．５μｍの厚さとし得る。

一部の実施形態において、ＧａＡｓＰのｐコンタクト層１８は、アルシン源としてテトラブチルアルシン（ＴＢＡ）を用い、ホスフィン源としてテトラブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いて成長される。例えばアルシン（ＡｓＨ_３）及びホスフィン（ＰＨ_３）などの従来のソースをＴＢＡ及びＴＢＰで置き換えることは、より良好なコンタクト特性を有する一層高品質の材料をもたらし得る一層低い温度でｐコンタクト層１８が成長されることを可能にし得る。例えば、ソースとしてＴＢＡ及びＴＢＰが使用されるとき、成長温度を１００℃程度も下げることができ、それによりＭｇドーピングの取り込み効率を２−２．５倍高め得る。Ｍｇドーピング効率の増大は、より低い反応炉バックグラウンド濃度（より低い、バックグラウンドの残留ドーパント）を可能にし、より高い光出力を有する一層一貫したＬＥＤを作り出し得る。

図３において、コンタクトメタルが形成され、且つデバイス内にメサがエッチングされている。先ずｐコンタクトが、例えば、離散的な複数の領域２１にオーミックコンタクトメタルを堆積することによって形成され得る。オーミックコンタクトメタル２１は例えば、ＡｕＺｎ又はＡｌとすることができ、ドット状に形成された後にアニールされる。例えば銀とし得るミラー（鏡）２０がオーミックコンタクトメタル領域２１上に形成される。オーミック領域２１は、一部の実施形態において１μｍと５μｍとの間の直径であり、一部の実施形態において３μｍの直径であるとともに、一部の実施形態において５μｍと１５μｍとの間の間隔で離隔され、一部の実施形態において１０μmの間隔で離隔される。

ｎ型領域１２の部分２７を露出させるように、ｐコンタクト１８、ｐ型層１６及び活性領域１４の部分が除去され得る。例えばＡｕＧｅとし得るｎコンタクト２５が、ｎ型領域１２の露出部２７上に形成される。ｎコンタクト２５及びｐコンタクト２０／２１は、絶縁材料２３で充填され得るトレンチ（溝）によって電気的に分離され得る。コンタクトを形成するためにエッチングによって露出されるｎ型領域の部分２７は、デバイスにわたって分布され得る。

図４において、デバイスがマウントに取り付けられるとともに、成長基板が除去されている。ｎコンタクト２５及びｐコンタクト２０は、ｎインターコネクト（相互接続）３５及びｐインターコネクト２２によって、マウント８７に電気的且つ物理的に接続されている。これらのインターコネクトは、例えば、はんだ、金、又はその他の好適材料とし得る。デバイスはマウント８７に、例えば、はんだインターコネクトをリフローすること、又は金インターコネクトの超音波ボンディングによって取り付けられ得る。ビア（図４には図示せず）が、マウント８７の頂面の金属パッドをマウント８７の底面のｐ電極９０及びｎ電極９１に電気的に結合する。電極９０、９１は、回路基板上のパッド、又は別のパッケージ上のパッドにはんだ付けされ得る。

デバイスをマウント８７上に取り付けた後、成長基板１０が例えばエッチングによって除去され得る。成長基板を除去した後に残存する半導体構造３０は薄化されてもよい。頂面は、光の抽出を向上させるために、例えば、粗面加工によって、あるいはフォトニック結晶などのパターンを形成するエッチングによって、テクスチャ（凹凸）を付けられ得る。

図５は、従来のＧａＰコンタクト層を含むデバイスの一部のバンド図を例示している。図６は、本発明の実施形態に従った、ＧａＡｓＰコンタクト層と傾斜（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ遷移層とを含むデバイスの一部のバンド図を例示している。図５におけるｐ型領域１６とｐ−ＧａＰコンタクト層４０との間の価電子帯の切り込み（ノッチ）は、正孔をトラップ（捕獲）することができる。図６に示すように、ＧａＡｓＰコンタクト層１８の価電子帯は、ｐ型領域１６内の遷移層の価電子帯と、より好ましく揃っており、また、ＧａＡｓＰはより狭いバンドギャップを有しており、それにより、活性な正孔の濃度が高められるとともにコンタクト抵抗が低減され、ひいては、ターンオン電圧が低減されるとともにウォールプラグ効率が高められる。

また、ＧａＡｓＰのｐコンタクト層１８は、上述の活性領域１４によって一般的に放射される波長域である５８０ｎｍと６２０ｎｍとの間の波長に対して高度に透明である。ＧａＡｓＰのｐコンタクト層１８の透明性は、内部吸収を低減して、デバイスからの光の抽出を増大させ得る。

さらに、ＧａＰコンタクト層上に従来のｐメタルコンタクトを形成することは、しばしば、金属スパイクと一様でない界面とをもたらし、それにより不所望の光子散乱を生じさせる。金属スパイクは、ｐメタルの堆積後のｐメタルの合金化処理（例えば、高温アニールとし得る）中に形成され得る。合金化工程において、金属は一様でない速度でｐコンタクト半導体層内に拡散する。結果として、コンタクト層の一部の領域は大きめの金属侵入を有し、他の領域はそれより小さい金属侵入を有することになる。このような不均一な侵入は、例えば、拡散された金属がｐコンタクト層と、光子を吸収する合金を形成するときなど、界面で光子が散乱あるいは吸収されることを引き起こし得る。本発明の実施形態に従ったＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘコンタクト層は、上述のように、ｐコンタクトメタルとの間で一層好ましいバンド整列を有するため、合金化が不要になったり、あるいは合金化温度が下げられたりし、より一様な界面と、より少ない金属スパイクとがもたらされ得る。

本発明を詳細に説明してきたが、当業者に認識されるように、この開示により、本発明への変更が、ここで説明した発明概念の精神を逸脱することなく為され得る。故に、本発明の範囲は、図示して説明した特定の実施形態に限定されるものではない。

Claims (13)

1. 半導体構造であり：
   ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された少なくとも１つのＩＩＩ−Ｐ発光層；及び
   ｘ＜０．４５であるＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層；
   を有する半導体構造と、
   前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層と直接的に接触する第１の金属コンタクトと、
   前記ｎ型領域に電気的に接続された第２の金属コンタクトと
   を有し、
   前記第１及び第２の金属コンタクトは、前記半導体構造の同一面に形成されている、
   デバイス。
2. 前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層は一定の組成量ｘを有する、請求項１に記載のデバイス。
3. ０．２＜ｘ＜０．４である、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層は、傾斜した組成量ｘを有する、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層は、ｘ＝０からｘ＜０．４５まで傾斜された組成量を有する、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記第１の金属コンタクトは：
   ミラー；及び
   前記ミラーと前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層との間に配置された複数のオーミックコンタクト領域；
   を有する、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記ミラーは銀を有し、前記複数のオーミックコンタクト領域はＡｕＺｎ及びＡｌのうちの一方を有する、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記ｐ型領域は：
   前記発光層と直接的に接触するクラッド層；及び
   前記クラッド層と前記コンタクト層との間に配置された、傾斜した組成量を有する領域；
   を有する、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記クラッド層はＡｌ_０．４８Ｉｎ_０．５２Ｐを有し、且つ
   前記傾斜した組成量を有する領域は、ＡｌＩｎＰから、（Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｐまで傾斜されている、
   請求項８に記載のデバイス。
10. 成長基板上に半導体構造を成長させる工程であり、該半導体構造は：
    ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された少なくとも１つのＩＩＩ−Ｐ発光層；及び
    ｘ＜０．４５であるＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層；
    を有する、成長させる工程と、
    前記ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘのｐコンタクト層と直接的に接触する第１の金属コンタクトを形成する工程と、
    前記ｎ型領域の一部を露出させるように、前記少なくとも１つのＩＩＩ−Ｐ発光層と前記ｐ型領域との一部をエッチング除去する工程と、
    前記ｎ型領域に電気的に接続された第２の金属コンタクトを形成する工程と
    を有し、
    前記第１及び第２の金属コンタクトは、前記半導体構造の同一面に形成される、
    方法。
11. 前記半導体構造を成長させる工程は、アルシン源としてテトラブチルアルシン（ＴＢＡ）を用いて前記ｐコンタクト層を成長させることを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記半導体構造を成長させる工程は、ホスフィン源としてテトラブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いて前記ｐコンタクト層を成長させることを有する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記成長基板を除去する工程、を更に有する請求項１０に記載の方法。

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