JP2013153197A - 発光ダイオード装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオード装置の製造方法の提供。
【解決手段】基板１表面にｎ型ＧａＮ層２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層２表面に酸化けい素３を成長させ且つリソグラフィー工程によりメサ領域のｎ型ＧａＮ層２を露出させ、さらにメサ領域にＭＯＣＶＤで発光ダイオード構造を成長させ、選択的領域成長した窒化ガリウムエピタキシャル層の特性により、ｐｎ同面を具えた構造となし、この構造の上に電極７、８を製作して発光ダイオード装置となす。本発明はエッチング不要でｐｎ同面の構造を完成し、ＧａＮ発光ダイオード装置の製造を簡易化し、並びにエッチングによるエッチング深さ不均一や表面が過度に粗くなったり、エッチング損傷による電性不良及び漏電電流の問題を回避する。また、酸化けい素が拡散層とされてその拡散効果により、発光層より射出される光がこの拡散層の拡散により光線経路を改変して内部全反射を減らし、良好な発光効率を達成する。
【選択図】図１

Description

本発明はｎ型ＧａＮ層を主要な材料とする発光ダイオード装置の製造方法、及び、ＩｎＡｌＧａＮ層を主要な材料とする発光ダイオード装置の製造方法に関する。

ほとんどのＧａＮ系半導体材料は、不導電のサファイヤ基板の上に成長し、このためＬＥＤ装置を製作する時にはエッチング技術により電極を同一面に形成しなければならない。しかし、これまで常用されているウエットエッチングはＧａＮ系材料に対しては不適用であり、なぜならそれは非常に強い耐酸アルカリ特性を具えているためである。このため一般にＧａＮ系材料のウエットエッチングは、そのエッチング速度が遅過ぎるため、量産には不適当であり、このためドライエッチングが採用されることがほとんどであり、例えば特許文献１にはIII−V族半導体材料をドライエッチングする方法が記載されている。しかし、ドライエッチングはウエットエッチングの問題を克服できるが、エピタキシャル層の損傷を形成しやすく、ゆえにドライエッチングが装置に対して形成する問題が非常に多く、それは、エッチング深さの不均一や、エッチング表面が粗くなりすぎたり、エッチング損傷が形成する電性不良等が含まれ、これは非特許文献１に報道されるとおりであり、また、非特許文献２、３にはメサ側壁（ｍｅｓａ ｓｉｄｅｗａｌｌ）のエッチングにより引き起こされる漏電の問題が記載されている。このため、ＧａＮ系ＬＥＤ製造工程にあってはエッチングの形成する問題を解決することが必要である。

このほか、III−V族半導体ＧａＮ（ｎ＝２．３）と空気（ｎ＝１）の間の屈折率には非常に大きな差異があり、その全反射臨界角は約２５度しかなく、このため発光層の光線の大部分が内部全反射されるだけで射出されない。このような界面の構造を改変するため、すでに半導体表面を粗化し、光線が発光層より発射された後に粗化層界面を経過させるようにし、光線を拡散させて入射光の経路を改変し、全反射の後に、光線の射出する確率を増す技術が提供されている。また、非特許文献４には粗化後にその発光効率が４０％に、明らかに増したことが記載されている。周知の技術中の粗化の方法はエピタキシャル表面にエッチングを行なう、というものであり、例えば特許文献２には、ケミカルエッチングにより発光装置表面を粗化して発光効率を増す効果を達成する技術が記載されている。また、特許文献３、４にも関係する技術が記載されている。しかし、このような加工の方式は赤色ＬＥＤにのみ適用される。その主要な原因は、材料加工が比較的容易であるという特性にあり、ＧａＮ系材料には不適用であり、これはＧａＮ系材料の非常に強い耐酸アルカリ特性による。ドライエッチングはウエットエッチングの問題を克服するが、エピタキシャル層の損傷を形成しやすく、そのｐ型ＧａＮ極はこのために電気抵抗値の上昇を非常に形成しやすく、且つｐ型ＧａＮの成長は通常非常に薄く（０．１〜０．３μｍ）、直接ｐ型ＧａＮを粗化すると、発光層の破壊を形成して、発光面積が却って減る恐れがある。且つ一般にＧａＮ ＬＥＤに使用される透明電極は透光のために非常に薄く（１０ｎｍ）、このため透明電極が不連続となり、電流分散に対して影響を与え、却って発光効率が下がる。このため、直接ｐ型ＧａＮを粗化することは極めて困難であり、非ｐ型のＧａＮを厚く成長させなければならない。

国際特許第ＷＯ０９８５４７５７号明細書 米国特許第５０４００４４号明細書 米国特許第５４２９９５４号明細書 米国特許第５８９８１９２号明細書

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，２７，Ｎｏ．４，２６１，１９９８ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．７２，１９９８ Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３７，Ｌ１２０２，１９９８ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓｃａｔｉｏｎｓ ｏｎ ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，４７（７），１４９２，２０００

上述の従来の技術の前部に述べられた問題を解決するため、本発明は半導体材料をエッチングする必要なくしてｎ型ＧａＮを露出させる方法を提供し、これによりエッチングにより形成される問題を改善する。本発明はＧａＮ系発光装置の製造方法を提供し、それは、従来の発光装置と比較すると、エッチングにより形成される各種の問題を防止した発光装置を提供することができる。

このほか、上述の従来の技術の後部に述べられた内部全反射の問題を解決するため、本発明はまたエピタキシャル過程中にＩｎＡｌＧａＮ層の局部にＳｉＯ2 層を充填する方式により粗化の拡散効果を達成し、これによりＧａＮ系発光装置の発光効率を改善する。本発明はＧａＮ系発光装置中のｐ型ＧａＮを粗化しなくとも、粗化効果を達成できる方法を提供し、本発明によると、ｐ型ＧａＮ或いは発光層を破壊せずに従来の発光装置に較べて明らかに発光効率を高めた発光装置を提供できる。

請求項１の発明は、発光ダイオード装置の製造方法において、
第１半導体層を基板の上に形成し、
隔離層を該第１半導体層の上に形成し、
該隔離層の一部領域を除去し、該第１半導体層の一部を露出させ、
発光ダイオード構造を該隔離層の前のステップで除去された一部領域に形成し、
該第１半導体層上のその他の該隔離層を除去し、半導体層をエッチングすることなく、該第１半導体層の別の部分を露出させ、
オームコンタクト電極を、半導体層をエッチングすることなく、露出した該第１半導体層上に形成し、
以上のステップを包含することを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該発光ダイオード構造を形成するステップは、さらに、
発光活性層を該第１半導体の上に形成するステップ、及び、
第２半導体層を該発光活性層の上に形成するステップ、
を包含することを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項３の発明は、請求項２記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該第１半導体層は、ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物とされ、該発光活性層は多重量子井戸構造であり、該第２半導体層はｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物とされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項４の発明は、請求項３記載の発光ダイオード装置の製造方法において、さらに、ｐ型オームコンタクト電極を該第２半導体層の上に形成し、且つ該第１半導体層の上のオームコンタクト電極はｎ型オームコンタクト電極とすることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項５の発明は、請求項４記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該基板の材料は、サファイアとされ、該ｎ型オームコンタクト電極の材料はＴｉ／Ａｌとされ、該ｐ型オームコンタクト電極の材料はＮｉ／Ａｕとされ、該隔離層の材料は、ＳｉＯ₂とされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項６の発明は、請求項１記載の発光ダイオード装置の製造方法において、バッファ層を該基板の上の該半導体層との間に形成することを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項７の発明は、請求項６記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該バッファ層の形成方法は、ＭＯＣＶＤ方式であることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項８の発明は、請求項２記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該隔離層の厚さは０．５〜１μｍ、該第１半導体層の厚さは２〜４μｍ、該第２半導体層の厚さは０．１〜０．２μｍとされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項９の発明は、請求項６記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該バッファ層はＧａＮとされ、その厚さは２０〜５０ｎｍとされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。
請求項１０の発明は、請求項２記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該隔離層はＰＥＣＶＤ方式で形成され、該発光活性層はＭＯＣＶＤ方式で形成されることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法としている。

本発明は半導体材料をエッチングする必要なくしてｎ型ＧａＮを露出させる方法を提供し、これによりエッチングにより形成される問題を改善する。本発明はＧａＮ系発光装置の製造方法を提供し、それは、従来の発光装置と比較すると、エッチングにより形成される各種の問題を防止した発光装置を提供することができる。

本発明はまたエピタキシャル過程中にＩｎＡｌＧａＮ層の局部にＳｉＯ₂層を充填する方式により粗化の拡散効果を達成し、これによりＧａＮ系発光装置の発光効率を改善する。本発明はＧａＮ系発光装置中のｐ型ＧａＮを粗化しなくとも、粗化効果を達成できる方法を提供し、本発明によると、ｐ型ＧａＮ或いは発光層を破壊せずに従来の発光装置に較べて明らかに発光効率を高めた発光装置を提供できる。

本発明の第１実施例のＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第２実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第２実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第２実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第２実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第２実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第２実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第３実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第３実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第３実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第３実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第３実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。 本発明の第３実施例のＩｎＡｌＧａＮを主要な材料とする発光ダイオード装置の製造過程の概要表示図である。

本発明は、ｎ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長させたウエハーの表面に、界面層ＳｉＯ₂を加え、リソグラフィー工程で、ＳｉＯ₂の表面にメサ（ｍｅｓａ）を製作し、並びにメサ領域のＳｉＯ₂を除去し並びにｎ型ＧａＮ層を露出させ、さらにこのウエハーに対してＭＯＣＶＤによりメサ領域に発光ダイオード構造をエピタキシャル成長させる。選択エピタキシャル成長させたＧａＮエピタキシャル層の特性により、ｐｎ同面の構造を形成し、最後にＳｉＯ₂を除去してｐｎ同面の発光ダイオード構造を得る。これにより本発明はエッチング工程を使用せずにＬＥＤ装置に必要なｐｎ同面の構造を完成し、これによりエッチングにより形成される数々の問題を解決する。

本発明は、また、ＩｎＡｌＧａＮをエピタキシャル成長させた後、リソグラフィー工程その表面に溝を形成し、且つその局部領域を除去し並びに基板を露出させ、並びにこの溝にＳｉＯ₂層を成長させ、最後にその上に発光ダイオード構造を成長させて発光ダイオード装置を形成する。このＳｉＯ₂を拡散層として拡散効果を具備させることにより、発光層より射出された光線がこの拡散層で拡散されて全反射が減り、これにより発光効率が高まる。

上述の発明の解決しようとする課題の前部に記載の目的を解決するため、図１に示されるように、サファイヤ基板（１）をＭＯＣＶＤシステム中に置き、５００〜６００℃で２０〜５０ｎｍ厚さのＧａＮバッファ層（２）を成長させる。続いて、基板温度を１０００〜１２００℃に上げて一層の２〜４μｍ厚さのシリコンドープＧａＮ層を成長させる。その後、ウエハーを取り出し、並びにＰＥＣＶＤで０．５〜１μｍのＳｉＯ₂（３）を成長させ、続いてリソグラフィー工程によりメサ領域（４）のＳｉＯ₂を除去する。続いて、このウエハーを７００〜９００℃のＭＯＣＶＤシステム中に置き、メサ領域にＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造（５）を成長させて発光層となす。その後、基板温度を１０００〜１２００℃に上げて一層の０．１〜０．２μｍ厚さのマグネシウムドープＧａＮコンタクト層を成長させる。最後にこのウエハーを取り出し、並びにメサ領域以外のＳｉＯ₂を除去し、こうしてｐｎ同面の発光ダイオードエピタキシャル構造（１０）を製作完成する。さらに、Ｎｉ／Ａｕをｐ型ＧａＮ表面に形成してｐ型オームコンタクト電極（７）となし、Ｔｉ／Ａｌをｎ型ＧａＮ表面に形成してｎ型オームコンタクト電極（８）となし、以上により本発明のダイ構造を形成する。

上述の発明の解決しようとする課題の後部に記載の目的を具体的に実施するため、本発明は以下の方式を採用する。図２から図７を参照されたい。先ず、サファイヤ基板（１１）をＭＯＣＶＤシステム中に置き、厚さが０．１μｍより厚いＩｎＡｌＧａＮ層（１２）を成長させ、続いて、ウエハーを取り出し並びにリソグラフィー工程とドライエッチングによりバッファ層であるこのＩｎＡｌＧａＮ層（１２）をエッチングして溝（１４）を形成し、この溝（１４）の厚さはＩｎＡｌＧａＮ層の厚さとする。続いてこの溝中にＳｉＯ₂（１３）を成長させ、さらにウエハーをＭＯＣＶＤに置き、並びに基板温度を８００〜１２００℃に上げて、１〜２μｍ厚さのシリコンドープＩｎＡｌＧａＮ層を成長させる。続いて、基板温度を７００〜９００℃に下げ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造（１５）を成長させて発光層となす。その後、基板温度を１０００〜１２００℃に上げて０．１〜０．２μｍ厚さのマグネシウムドープＧａＮコンタクト層（１６）を成長させ、こうして発光ダイオードエピタキシャル構造（２０）を形成する。このエピタキシャル構造に対して、ドライエッチングで一部のｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープＧａＮコンタクト層（１６））及びＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造（１５）を除去し、並びにｎ型ＧａＮ表面を露出させ、更にＮｉ／Ａｕでｐ型ＧａＮ表面にｐ型オームコンタクト電極（１７）を形成し、Ｔｉ／Ａｌでｎ型ＧａＮ表面にｎ型オームコンタクト電極（１８）を形成し、こうして本発明のダイ構造を完成する。

図８から図１３を参照されたい。サファイヤ基板（２１）をＭＯＣＶＤシステム中に置き、その上に一層の０．１μｍ厚さのＩｎＡｌＧａＮ層（２２）を成長させる。続いて、ウエハーを取り出し、並びにリソグラフィー工程とドライエッチングを利用してこのＩｎＡｌＧａＮバッファ層の上に溝（２４）をエッチングし、溝の深さをＩｎＡｌＧａＮ層の厚さより０．２〜５μｍ深くする。続いてこの溝中にＳｉＯ₂（２３）を成長させ、さらにウエハーをＭＯＣＶＤ中に置き、並びに基板温度を８００〜１２００℃に上げて１〜２μｍ厚さのシリコンドープＩｎＡｌＧａＮ層を成長させる。続いて基板温度を７００〜９００℃に下げ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造（２５）を成長させて発光層となす。その後、更に基板温度を１０００〜１２００℃に上げて０．１〜０．２μｍ厚さのマグネシウムドープＧａＮコンタクト層（２６）を成長させ、異常で発光ダイオードエピタキシャル構造（３０）を完成する。このエピタキシャル構造に対してドライエッチングで一部のｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープＧａＮコンタクト層（２６））及びＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造（２５）を除去し、並びにｎ型ＧａＮ表面を露出させ、さらにＮｉ／Ａｕでｐ型ＧａＮ表面にｐ型オームコンタクト電極（２７）を形成し、Ｔｉ／Ａｌでｎ型ＧａＮ表面にｎ型オームコンタクト電極（２８）を形成し、以上により本発明のダイ構造を完成する。

１ 基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ＳｉＯ₂ 領域
４ メサ領域
５ 多重量子井戸構造
７ ｐ型オームコンタクト電極
８ ｎ型オームコンタクト電極
１０ 発光ダイオードエピタキシャル構造
１１ 基板
１２ ＩｎＡｌＧａＮ層
１３ ＳｉＯ₂領域
１４ 溝
１５ 多重量子井戸構造
１６ ＧａＮコンタクト層
１７ ｐ型オームコンタクト電極
１８ ｎ型オームコンタクト電極
２０ 発光ダイオードエピタキシャル構造
２１ 基板
２２ ＩｎＡｌＧａＮ層
２３ ＳｉＯ₂領域
２４ 溝
２５ 多重量子井戸構造
２６ ＧａＮコンタクト層
２７ ｐ型オームコンタクト電極
２８ ｎ型オームコンタクト電極
３０ 発光ダイオードエピタキシャル構造

Claims (10)

1. 発光ダイオード装置の製造方法において、
   第１半導体層を基板の上に形成し、
   隔離層を該第１半導体層の上に形成し、
   該隔離層の一部領域を除去し、該第１半導体層の一部を露出させ、
   発光ダイオード構造を該隔離層の前のステップで除去された一部領域に形成し、
   該第１半導体層上のその他の該隔離層を除去し、半導体層をエッチングすることなく、該第１半導体層の別の部分を露出させ、
   オームコンタクト電極を、半導体層をエッチングすることなく、露出した該第１半導体層上に形成し、
   以上のステップを包含することを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
2. 請求項１記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該発光ダイオード構造を形成するステップは、さらに、
   発光活性層を該第１半導体の上に形成するステップ、及び、
   第２半導体層を該発光活性層の上に形成するステップ、
   を包含することを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
3. 請求項２記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該第１半導体層は、ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物とされ、該発光活性層は多重量子井戸構造であり、該第２半導体層はｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物とされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
4. 請求項３記載の発光ダイオード装置の製造方法において、さらに、ｐ型オームコンタクト電極を該第２半導体層の上に形成し、且つ該第１半導体層の上のオームコンタクト電極はｎ型オームコンタクト電極とすることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
5. 請求項４記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該基板の材料は、サファイアとされ、該ｎ型オームコンタクト電極の材料はＴｉ／Ａｌとされ、該ｐ型オームコンタクト電極の材料はＮｉ／Ａｕとされ、該隔離層の材料は、ＳｉＯ₂とされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
6. 請求項１記載の発光ダイオード装置の製造方法において、バッファ層を該基板の上の該半導体層との間に形成することを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
7. 請求項６記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該バッファ層の形成方法は、ＭＯＣＶＤ方式であることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
8. 請求項２記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該隔離層の厚さは０．５〜１μｍ、該第１半導体層の厚さは２〜４μｍ、該第２半導体層の厚さは０．１〜０．２μｍとされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
9. 請求項６記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該バッファ層はＧａＮとされ、その厚さは２０〜５０ｎｍとされることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。
10. 請求項２記載の発光ダイオード装置の製造方法において、該隔離層はＰＥＣＶＤ方式で形成され、該発光活性層はＭＯＣＶＤ方式で形成されることを特徴とする、発光ダイオード装置の製造方法。

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