JP2012533903A - 半導体発光デバイスのための反射性コンタクト - Google Patents

Abstract

半導体構造が、ｎ型領域２０とｐ型領域２４との間に配された、発光層２２を含んでいる。ｐ側電極が、ｐ型領域の一部の上に配されている。ｐ側電極は、ｐ型領域の第１の部分と直接接触する反射性の第１の材料２６と、その第１の部分に隣接するｐ型領域の第２の部分と直接接触する第２の材料３０とを含んでいる。第１の材料２６および第２の材料３０は、同一の厚さのプラナー状の層として形成される。

Description

本発明は、III族窒化物発光デバイスのための、反射性コンタクトに関するものである。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共鳴キャビティ発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直キャビティレーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）およびエッジ発光レーザーを含む、半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率的な光源の一種である。可視スペクトル領域に亘って動作可能な高輝度発光デバイスの製造において、現在関心が集まっている材料系は、III−IV族半導体を含み、とりわけ、ガリウム、アルミニウム、インジウムおよび窒素の、二元、三元および四元合金（III族窒化物材料とも呼ばれる）を含む。典型的には、III族窒化物発光デバイスは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）またはその他のエピタキシャル技術によって、サファイア基板、炭化ケイ素基板、III族窒化物基板、複合材料基板またはその他の適切な基板上に、種々の組成および不純物ドープ濃度を有する半導体層のスタックをエピタキシャル成長させることにより、作製される。このスタックは、基板上に形成された、たとえばＳｉがドーピングされた１つ以上のｎ型層を含み、この１つまたは複数のｎ型層の上に形成されたアクティブ領域内に１つ以上の発光層が配され、そのアクティブ領域上に、たとえばＭｇがドーピングされた１つ以上のｐ型層が形成されることが多い。電気的コンタクトは、ｎ型およびｐ型領域上に形成される。III族窒化物デバイスは、ｎ側コンタクトとｐ側コンタクトとの両方が半導体構造の同じ側に形成された、インバーテッド型またはフリップチップ型のデバイスとして形成されることが多い。この場合、光は、この半導体構造の、それらコンタクトとは反対の側から取り出される。

銀は、反射性のｐ側コンタクトとしてよく使われるが、機械的なストレス、化学反応、またはエレクトロマイグレーションにより誘発されるトランスポートの影響を受けやすいことが知られている。たとえば、米国特許第６９４６６８５号に記載されているような銀のｐ側コンタクトを有するIII族窒化物ＬＥＤが、図１に図示されている。米国特許第６９４６６８５号は、「銀電極の金属被覆は、水分および電場の存在下、たとえばデバイスのコンタクトに駆動電圧を印加した結果として発生する電場の存在下において、エレクトロケミカルマイグレーションに曝される。デバイスのｐｎ接合に対する銀被覆のエレクトロケミカルマイグレーションは、ｐｎ接合を通る交番分流の経路をもたらし、デバイスの効率を低下させる。」と教示している。

図１は、III-V族窒化物半導体のｎ型層１２０とIII-V族窒化物半導体のｐ型層１４０との間に発光活性領域１３０Ａを含む、半導体構造を含んだ発光デバイスを示している。ｐ側電極１６０は、銀を含んでおり、ｐ型層の上に積層されている。ｎ側電極（図１には図示せず）は、ｎ型層と接続されている。活性領域からの発光を引き起こすため、上記の電極間に電気信号を印加する手段が設けられており、また、ｐ側電極から活性領域への銀のエレクトロケミカルマイグレーションを防止するため、マイグレーションバリア１７５が設けられている。マイグレーションバリア１７５は、導電保護シートである。この保護シートは、銀を完全に包囲しており、図１に示すように、銀製ｐ側電極のエッジもカバーしている。

本発明の１つの目的は、ｐ側電極に、反射性の第１の材料と、第２の材料とを含めることである。いくつかの実施形態では、第２の材料は、第１の材料のマイグレーションを抑制することができる。銀コンタクトおよびその銀コンタクトを包囲する保護シートを有するデバイスと比較して、コンタクトの反射性を改善することも可能である。

本発明の実施形態は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配された発光層を含む、半導体構造を含んでいる。ｐ側電極は、ｐ型領域の一部の上に配されている。ｐ側電極は、ｐ型領域の第１の部分と直接接触する反射性の第１の材料と、その第１の部分に隣接するｐ型領域の第２の部分と直接接触する第２の材料とを含んでいる。第１の材料および第２の材料は、実質的に同一の厚さのプラナー状の層として形成される。

銀製ｐ側電極をカバーするマイグレーションバリアを有する発光デバイスを示した図 フォトレジストを用いてパターン化された銀製ｐ側コンタクトを有するIII族窒化物デバイスの一部を示した図 パターン化された銀製ｐ側コンタクトの上に層を形成した後の、図２のデバイスを示した図 フォトレジストを剥がしてｐ側電極の上に保護シートを形成した後の、図３のデバイスを示した図 マウントに取り付けられたIII族窒化物デバイスを示した図

図１に示したデバイスでは、銀コンタクトを保護シートで封止するため、銀はまずメサのエッジから後退するようにエッチングされる。反射性ｐ側電極１６０のエッジとメサのエッジとの間の帯状領域１０は、銀製ｐ側電極１６０のような反射性を有しないので、「黒色帯」と呼ぶこととする。この黒色帯は、たとえば、約１０μｍの幅で、デバイス面積の約７％を占めるものとされ得る。黒色帯による光の吸収は、デバイスの効率を低下させ得る。さらに、銀製ｐ側電極１６０のエッジに形成される段差１２は、保護シート１７５による封止が難しく、したがって水分の侵入および外側への銀のマイグレーションが生じやすい。段差１２の高さを最小限に抑えるためには、銀製ｐ側電極１６０は、可能な限り薄く保たれ、たとえば約１５０ｎｍに保たれる。一方、銀製ｐ側電極の安定性および反射性の観点からは、より厚い銀の層の方が好ましく、たとえば約２００ｎｍの厚さが好ましい。

本発明の実施形態では、銀製ｐ側コンタクトを後退させるようにエッチングした後、黒色帯が、銀と同一の厚さを有する金属層で埋められる。このほぼプラナー状のｐ側コンタクト構造は、図１に示したコンタクトのような従来型のコンタクトよりも、反射性が高く封止レベルも良好である。

図２から４は、本発明の実施形態に係る反射性コンタクトの形成過程を図示している。図２から４に図示してあるのは、デバイスの一部のみである。図２では、ｎ型領域、発光もしくは活性領域、およびｐ型領域を含むIII族窒化物半導体構造が、成長基板（図示せず）上に成長させられている。成長基板は、任意の適切な成長基板であってよく、典型的にはサファイアまたはＳｉＣとされる。まず、ｎ型領域２０が、基板上に成長させられる。ｎ型領域は、種々の組成および不純物ドープ濃度を有する複数の層を含んでいてもよい。たとえば、ｎ型領域は、バッファ層や核形成層のようなプリパレーション層（たとえばｎ型層もしくは意図的にはドーピングされていない層とされ得る）、後の工程における成長基板の分離もしくは基板除去後の半導体構造の薄層化を容易にするためのリリース層、および発光領域が効率的な発光を行うために望ましい特定の光学特性もしくは電気的特性を実現するように設計された、ｎ型あるいは場合によってはｐ型でもよいデバイス層を含む領域とされ得る。

発光または活性領域２２は、ｎ型領域２０の上に成長させられる。適切な発光領域の例としては、単一の厚いもしくは薄い発光層、またはバリア層により隔てられた複数の薄いもしくは厚い量子ウェル発光層を含むマルチ量子ウェル発光領域が挙げられる。一例として、マルチ量子ウェル発光領域は、各々１００Å以下の厚さのバリアで隔てられた、各々２５Å以下の厚さを有する複数の発光層を含むものとされてもよい。いくつかの実施形態では、デバイス内の発光層の各々の厚さは、５０Åよりも厚くされる。

ｐ型領域２４は、発光領域２２の上に成長させられる。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域も、種々の組成、厚さおよび不純物ドープ濃度を有する複数の層を含んでいてもよく、意図的にドーピングされていない層やｎ型層を含んでいてもよい。

反射性金属製のｐ側コンタクト２６は、ｐ型領域２４の上に形成される。反射性金属２６は、通常は銀を含み、純銀製であってもよいし、銀を含む合金製であってもよいし、１つまたは複数の銀の層と、別の金属（たとえばニッケル）または他の導電性材料の１つまたは複数の層とを含むものであってもよい。いくつかの実施形態では、反射性金属２６は、１５０ｎｍと２５０ｎｍとの間の厚さとされる。レジスト層２８が、反射性金属２６の上に形成およびパターン化され、その後、反射性金属２６の一部、たとえば黒色帯領域２７内の部分が除去される。反射性金属２６のうち、レジスト層２８の下にある部分は、デバイス内に残る。エッチング時間を調整することにより、レジスト層２８の下からも、最大数μｍ分の反射性金属２６が除去され得る。これは、一般的にアンダーカットと呼ばれる。

図３では、レジスト層２８および黒色帯２７が、反射性金属２６とほぼ同じ厚さの層３０で覆われている。たとえばいくつかの実施形態では、層３０は、１５０ｎｍと２００ｎｍとの間の厚さとされる。層３０は、銀のマイグレーションの問題を生じさせない範囲で可能な限り、高い反射率を有するものが選択される。たとえば、層３０は、蒸着されたアルミニウムの単一層、スパッタリングされた１つもしくは複数のアルミニウム層、１つもしくは複数のアルミニウム合金、ＡｌＴｉのようなアルミニウム金属スタック、または反射率を強化するためのＡｌ_２Ｏ_３／Ａｌ二重層もしくはＳｉＯ_２／Ａｌ二重層のような非金属層とされてもよい。反射性金属２６のアンダーカットを調整し、かつ層３０につき適切な積層技術を選択することにより、反射性金属２６と層３０との間の差を、ゼロから２μｍ未満の間で調整することが可能である。

その後、レジスト層２８が剥がされ、反射性金属２６が露出させられると共に、黒色帯２７内の層３０は残される。図４では、保護シート３２が、反射性金属２６および層３０を含むｐ側電極上に形成されている。保護シート３２は、たとえば、チタン、タングステンまたは１つもしくは複数の合金といったような、１つまたは複数の金属であってもよいし、反射率を強化するためのＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘまたはＡｌ_２Ｏ_３といったような１つまたは複数の誘電体であってもよい。いくつかの実施形態では、保護シート３２は、２つのＴｉＷの層に挟まれたＴｉＷＮの層とされる。いくつかの実施形態では、層３０がＡｌＴｉとされ、保護シート３２が少なくとも１つのＴｉＷ層を含むものとされる。ＡｌＴｉは、ＴｉＷの保護シート層に対し、強化された接着性をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、保護シートは、接着性を高めるため、ニッケル等のアンダー層および／またはオーバー層を含むものとされる。

図５は、マウント４０に取り付けられたＬＥＤ４２を示している。ｐ型領域２４の上に上記で述べたようなｐ側電極を形成する前または形成した後に、ｐ型領域および発光領域の一部をエッチングで除去することにより、ｎ型領域の一部が露出させられる。ｎ型領域２０、発光領域２２およびｐ型領域２４を含む半導体構造は、図５では構造４４で示されている。ｎ側コンタクト４６は、ｎ型領域の露出させられた部分に形成される。

ＬＥＤ４２は、ｎ側相互接続部５６およびｐ側相互接続部５８によって、マウント４０に接合させられる。相互接続部５６および５８は、たとえばはんだその他の金属といったような、任意の適切な材料とされ得るものであり、複数の材料層を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、相互接続部は、少なくとも１つの金の層を含むものとされ、ＬＥＤ４２とマウント４０との間の接合は、超音波接合により形成される。

超音波接合の間、ＬＥＤダイ４２はマウント４０上に配される。接合ヘッドが、ＬＥＤダイの上面上に配置される。この面は、サファイア上に成長させられたIII族窒化物デバイスの場合、サファイア製の成長基板の上面とされることが多い。接合ヘッドは、超音波トランスデューサに接続される。超音波トランスデューサは、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層のスタックであってもよい。系を調和共振させるような周波数（数十から数百ｋＨｚのオーダーの周波数であることが多い）で、電圧がトランスデューサに印加されると、トランスデューサは振動を開始し、それにより、多くは数μｍオーダーの振幅で、接合ヘッドおよびＬＥＤダイを振動させる。この振動は、ＬＥＤ４２上の構造の金属格子内の原子を、マウント４０上の構造と相互拡散させ、結果として、冶金学的に連続した接合をもたらす。接合中において、熱および／または圧力が加えられてもよい。

ＬＥＤダイ４２をマウント４０に接合した後、半導体層の成長の土台とされた基板の全部または一部が、その除去対象の特定の成長基板に適した任意の技術により除去される。たとえば、サファイアの基板は、レーザーによるリフトオフで除去され得る。成長基板の全部または一部を除去した後、たとえばフォトエレクトロケミカルエッチングによって残りの半導体構造を薄くする処理、および／またはたとえばフォトニック結晶構造によって表面を粗くするもしくはパターン化する処理が行われてもよい。基板の除去後、レンズ、波長変換材料、または当該技術分野において知られているその他の構造が、ＬＥＤ４２の上に配されてもよい。

上記で説明した実施形態は、図１に示した構造と比較して、いくつかの利点を有し得る。上記の実施形態におけるｐ側電極の構造は、よりプラナー状の構造となり得るので、ストレスが集中する点を減らし、また保護シートが段差部をカバーする必要がなくして、保護シートの一体性を改善する。反射性金属のエッジにおける段差を保護シートでカバーすることにまつわる問題を大きくすることなく、反射性金属をより厚くすることが可能である。黒色帯により吸収される光の量を低減させることにより、チップからの光の損失を抑制することができる。層３０は、その後の処理中において反射性金属２６のエッジを保護することができるので、下にある半導体材料からの銀の剥離にまつわる問題も、軽減することができる。アルミニウム製の層３０は、電気防食用陽極として働くことができ、それにより銀の電食を阻止するまたは遅らせることができる。黒色帯内における銀のマイグレーションも、アルミニウム層３０のより低い電場および高い導電性により、抑制することができる。

以上、本発明を詳細に説明してきたが、当業者においては、本開示内容を読むことにより、ここで説明した創作的概念の精神から逸脱することなく、発明に対し種々の変更を加えられることが理解できよう。したがって、本発明の技術的範囲を、図解および説明された具体的な実施形態に限定することは意図されていない。

Claims (13)

1. ｎ型領域とｐ型領域との間に配された発光層を含む半導体構造と、
   前記ｐ型領域上に配されたｐ側電極と
   を含むデバイスであって、
   前記ｐ側電極が、
   − 前記ｐ型領域の第１の部分と直接接触する反射性の第１の材料と、
   − 前記第１の部分に隣接する前記ｐ型領域の第２の部分と直接接触する第２の材料とを含み、
   前記第１の材料および前記第２の材料が、実質的に同一の厚さのプラナー状の層として形成されていることを特徴とするデバイス。
2. 前記第１の材料が銀を含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
3. 前記第２の材料がアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
4. 前記第２の材料が、アルミニウム合金、アルミニウム金属スタック、ＡｌＴｉ、Ａｌ_２Ｏ_３／Ａｌ二重層およびＳｉＯ_２／Ａｌ二重層のうちの、１つを含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
5. 前記ｐ側電極が、前記第１の材料および前記第２の材料の上に配された第３の材料をさらに含み、前記第３の材料が、前記第１の材料のマイグレーションを防止するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
6. 前記第３の材料が、チタンおよびタングステンを含むことを特徴とする請求項５記載のデバイス。
7. 前記ｎ型領域の一部を露出させるように、前記ｐ型領域および前記発光層の一部がエッチングにより除去され、
   前記ｐ型領域の残りの部分がメサを形成し、
   前記第２の材料が、前記第１の材料と前記メサのエッジとの間に配されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
8. ｎ型領域とｐ型領域との間に配された発光層を含む半導体構造を成長させ、
   前記ｐ型領域上に反射性の第１の材料を形成し、
   前記反射性の第１の材料の上にレジスト層を形成し、
   前記レジスト層内に空隙を形成するように、該レジスト層をパターン化し、
   前記レジスト層の前記空隙に対応する、前記反射性の第１の材料の一部を除去し、
   前記レジスト層の残りの部分、および前記反射性の第１の材料を除去することにより露出させられた前記ｐ型領域の一部の上に、第２の材料を形成し、
   前記レジスト層の前記残りの部分を除去する各処理を含むことを特徴とする方法。
9. 前記第１の材料と前記第２の材料とが、実質的に同一の厚さとされることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記第１の材料が銀を含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
11. 前記第２の材料がアルミニウムを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
12. 前記第１の材料および前記第２の材料の上に第３の材料を形成する処理をさらに含み、前記第３の材料が、前記第１の材料のマイグレーションを防止するように構成されることを特徴とする請求項８記載の方法。
13. 前記第３の材料が、チタンおよびタングステンを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。

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