JP3520270B2 - 発光ダイオードとその製造方法 - Google Patents
発光ダイオードとその製造方法Info
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- H01L33/005—Processes
- H01L33/0093—Wafer bonding; Removal of the growth substrate
Description
(LED)チップの構造と製造方法に関し、特に、Al
GaInP LEDチップの製造方法に関する。
LEDは、ダブルヘテロ構造(DH)を持ち、これは、
n型GaAs基板3上に形成された約70%〜100%
のAl組成をもつn型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下
位クラッド層4と、(AlxGa1-x)0.5In0.5Pアク
ティブ層5と、約70%〜100%のAl組成をもつp
型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上位クラッド層6と、
p型大エネルギーギャップのGaAsP、InGaP、
AlGaP、GaP、もしくは、AlGaAsの電流拡
散層7から成る。アクティブ層の組成を調整することに
よって、従来のLED構造の発光波長を変えて、650
nmの赤色から555nmの純緑色まで変化する波長を
生成することができる。従来のLEDの欠点の1つは、
アクティブ層によって生成された光がGaAs基板上に
照射されるときに、その光がGaAs基板によって吸収
されることである。これは、GaAs基板が小エネルギ
ーギャップをもつからである。従って、LEDの光出力
性能は大きく落ちることになる。
従来のLED技術の幾つかが開示されている。しかしな
がら、これらの従来の技術には、依然として欠点と限界
がある。例えば、スガワラ(Sugawara)他は1
つの方法を開示しており、これは、応用物理レター(A
ppl.Phys Lett.)61巻、1775−1
777(1992年)で公表されている。これは、Ga
As基板上に分散型ブラッグリフレクタ(DBR)層を
追加することにより、GaAs基板上に照射される光を
反射させて、GaAs基板によって吸収される光を減ら
すものである。しかしながら、DBR層だけがGaAs
基板にほぼ垂直入射する光を反射するので、効率は非常
によいというわけではない。
透明基板(TS)(AlxGa1-x) 0.5In0.5P/Ga
P発光ダイオードについて開示した[応用物理レター
(Appl.Phys Lett.)64巻、No.2
1、2839(1994年)、超高効率半導体ウェーハ
接合透明基板(AlxGa1-x)0.5In0.5P/Ga
P]。水素化合物ベーパーフェーズエピタキシー(HV
PE)を使って非常に厚い(約50μm)p型GaPウ
インドー層を成長させることによって、このTS Al
GaInP LEDが組み立てられた。接合を行う前に
化学機械研磨とエッチング技術を使ってn型GaAs基
板が選択的に除去された。次に、露出されたn型(Al
xGa1-x)0.5In0.5Pクラッド層は、8−10ミル厚
のn型GaP基板にウェーハ接合される。その結果であ
るTS AlGaInP LEDは、吸収基板(AS)
AlGaInP LEDに比べて光出力が2倍に向上し
たことを示す。しかしながら、TS AlGaInP
LEDの組立てプロセスは余りにも複雑である。従っ
て、高歩留まりでかつ低コストでこれらのTS AlG
aInP LEDを製造することは困難である。
組立てられたミラー基板(MS)AlGaInP/金属
/Si02/Si LEDについて報告した[応用物理
レター(Appl. Phys Lett.)75巻、
No.20、3054(1999年)、ウェーハ接合に
よって組立てられたミラー基板を備えるAlGaInP
発光ダイオード]。彼らはAuBe/Auを接着剤とし
て用いて、Si基板とLEDエピ層を結合した。しかし
ながら、これらのMS AlGaInP LEDの輝度
は、20mAの注入電流で約90mcdであり、TS
AlGaInPLEDの輝度よりも40%低い。
EDは多くの欠点がある。従って、本発明は、従来の欠
点を解消するLED構造とその形成方法を提供する。
ある。発光ダイオードは、光吸収基板上に形成された多
層AlGaInPエピタキシャル構造をもつLEDエピ
タキシャル構造と、透明基板と、透明基板と多層AlG
aInPエピタキシャル構造を接合するための透明粘着
性物質材料層を備える。LEDのアクティブ層は、シン
グルヘテロ構造(SH)と、ダブルヘテロ構造(DH)
と、多量子井戸(MQW)、もしくは、量子井戸ヘテロ
構造(QWH)を備えることができる。一方、第1と第
2のオーミックコンタクト金属層は、第1と第2の導電
型エピタキシャル層にそれぞれ接合されている。その
上、第1と第2のオーミックコンタクト金属層の両方と
もに、同じ側に位置している。
AlGaInPエピタキシャル構造をもつLEDエピタ
キシャル構造を提供するステップと、透明基板を提供す
るステップと、前記透明基板と多層AlGaInPエピ
タキシャル構造を接合するために、BCB(B−sta
ged bisbenzocyclobutene)樹
脂やエポキシ樹脂等の透明粘着性物質材料層を使うステ
ップとを含む、発光ダイオードの製造方法を提供する。
次に、光吸収基板を除去して、第1の導電型エッチスト
ップ層を露出させることで、例えば、第1のオーミック
コンタクト金属層が形成される。また、エッチングステ
ップでは、第2の導電型エピタキシャル層を露出して、
第2のオーミックコンタクト層が形成する。さらに、第
1と第2のオーミックコンタクト金属層共に同じ側に配
置されている。
ることで、低温でLED構造の接着プロセスを実行でき
るので、V族元素の蒸発の問題が回避される。さらに、
透明基板を使うことによってLEDの発光効率は大幅に
改善される。
として低コストのガラスを使うことができる単純化され
たプロセスにある。従って、歩留まりの高いスループッ
トと低コストが達成される。
透明粘着性物質材料を使って、透明基板と多層AlGa
InPエピタキシャル構造を接合することにある。従っ
て、エピタキシャル構造が荒い表面をもっていたとして
も、弾力的な透明粘着性物質層を使うことによって優れ
た接合結果が得られる。
方法を開示するものであり、以下で詳細に説明される。
エピタキシャル構造は、n型GaAs基板26、エッチ
ストップ層24、n型(AlxGa1-x)0.5In0.5P
下位クラッド層22、(AlxGa1-x)0.5In0.5P
アクティブ層20、p型(AlxGa1-x)0.5In0.5
P上位クラッド層18、p型オーミックコンタクトエピ
タキシャル層16を備える。
プがアクティブ層のものよりも大きい限り、p型オーミ
ックコンタクトエピタキシャル層の材料はAlGaA
s、AlGaInP、GaAsPでよく、アクティブ層
から出される光は吸収されない。
5のAl組成をもち、下位クラッド層は約0.5≦x≦
1のAl組成をもち、上位クラッド層は約0.5≦x≦
1のAl組成をもつ。もし、x=0ならば、アクティブ
層の組成はGa0.5In0.5Pであり、LEDの波長λd
は635nmである。
n0.5P等の化合物比が好適な例であって、いかなる比
のII−V族半導体材料に対しても本発明を適用でき
る。さらに、本発明のAlGaInPアクティブ層20
の構造は、SH構造、DH構造、複数の量子井戸(MQ
Ws)構造、もしくは、量子井戸ヘテロ構造(QWH
s)でよい。DH構造は、図1に示されるように、n型
(AlxGa1-x)0.5In0.5P下位クラッド層22と、
(AlxGa1-x)0.5In0.5Pアクティブ層20と、p
型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上位クラッド層18と
を備える。尚、下位クラッド層22と、アクティブ層2
0と、上位クラッド層18の好適な厚さはそれぞれ、約
0.5−3.0、0.5−2.0、0.5−3.0μm
である。
料は、GaAs基板26の格子と一致、もしくは、不一
致する格子をもつIII−V族化合物半導体材料でもよ
い。また、本発明のエッチストップ層24の材料も、G
aAs基板26のエッチレートより非常に小さいエッチ
レートをもつ。例えば、InGaP、もしくは、AlG
aAsはエッチストップ層24に適した候補になり得
る。さらに、n型AlGaInP下位クラッド層は、G
aAs基板のエッチレートよりも非常に低いエッチレー
トをもつ。従って、もし下位クラッド層が十分な厚みを
もつなら、異なる組成をもつエッチストップ層として利
用されるオプションとしてのエピタキシャル層は不要で
ある。
aged bisbenzocyclobutene)
樹脂等の透明粘着性物質層14と透明基板(TS)10
を備える。粘着性物質層14の材料はBCBに限定され
るものではない。エポキシやその他の材料等の同様の特
性の粘着性物質材料も本発明に適用可能である。ガラ
ス、サファイアウェーハ、SiCウェーハ、GaPウェ
ーハ、GaAsPウェーハ、ZnSeウェーハ、ZnS
ウェーハ、もしくは、ZnSSeウェーハから透明基板
を構成することができる。材料によって吸収される光が
些細である限り、これらの材料を透明基板として選ぶこ
とができる。本発明の1つの利点は、透明基板が単結晶
ウェーハである必要がないことである。LEDエピタキ
シャル層を支持するために透明基板を使ってエピタキシ
ャル層の破壊を回避することができ、電流が透明基板を
流れることはない。言いかえれば、多結晶とアモルファ
ス結晶の両方をキャリアー基板として使うことができ
る。従って、製造コストは大きく下がる。
2の透明基板と結合される。本発明の方法に基づいて、
加圧/加熱下のある温度、例えば、250℃で接着工程
を実施することができる。LEDエピタキシャル構造と
透明基板間の接着特性を改善するために、例えば、堆
積、蒸発、もしくは、スパッタによって、密着強化層
を、LEDエピタキシャル構造の表面と透明基板の表面
上に形成することができる。その後、BCB層が塗布さ
れ、次に、LEDエピタキシャル構造と透明基板間の接
着を完了するまでの期間、ある温度、例えば、250℃
とある圧力が加えられる。適切に接着させるために、L
EDエピタキシャル構造とBCB層によって接合された
透明基板を低温、例えば、60℃から100℃まで加熱
して有機溶剤をBCB層から除去し、その温度を200
℃から600℃までの範囲で上げることができるので、
LEDエピタキシャル構造と透明基板とBCB層の接合
力は優れたものになる。その後、エッチャント、例え
ば、5H3PO4:3H2O2:3H 2O、もしくは、1N
H4OH:35H2O2によって、不透明なn型GaAs
基板が除去される。しかしながら、エッチストップ層I
nGaP、もしくは、AlGaAsは相変わらず、アク
ティブ層から出された光を吸収する。従って、エッチス
トップ層を除去してn型オーミックコンタクト金属層と
接触するエッチストップ層の一部だけを残す必要があ
る。n型AlGaInP下位クラッド層とAlGaIn
Pアクティブ層とp型AlGaInP上位クラッド層の
一部分を除去するために、ドライエッチング法、例え
ば、RIEが適用されて、さらにp型オーミックコンタ
クトエピタキシャル層が露出される。次に、p型オーミ
ックコンタクト金属層28が、p型オーミックコンタク
トエピタキシャル層16上に形成される。その後、図3
に示されるように、n型オーミックコンタクト金属層3
0をn型AlGaInP下位クラッド層22上に形成し
て、同じ側に形成されたp型とn型のオーミックコンタ
クト金属層を含むLED構造を形成する。
LEDの光出力は4mwより大きく(20mAの注入
電流で)、また、従来の吸収基板AlGaInP LE
Dの光出力パワーより2倍大きい。
Dに限定されるものではなく、また、その他のLED材
料、例えば、赤色と赤外線赤色のAIGaAs LED
に適している。図5は、本発明の第2の実施形態のエピ
タキシャル構造の断面を示す。AlGaAs赤色LED
(650nm)は、n型GaAs基板51と、約70〜
80%のAl組成と0.5μm〜2μmの厚みをもつn
型AlGaAs下位クラッド層52と、約70〜80%
のAl組成と0.5μm〜2μmの厚みをもつp型Al
GaAs上位クラッド層54とのスタック構造を備え
る。次に、AlGaAs赤色LED構造が透明基板5
6、例えば、BCB55によるサファイアに接合され
る。そして、NH4OH:H2O2=1.7:1等のエッ
チャントによってエピタキシャル構造をエッチングし
て、不透明なn型GaAs基板を除去する。その後、ウ
ェットエッチング、もしくは、ドライエッチングが適用
されて、n型AlGaAs下位クラッド層とAlGaA
sアクティブ層の一部が除去され、さらに、p型AlG
aAs上位クラッド層が露出される。次に、p型オーミ
ックコンタクト金属層57がp型AlGaAs上位クラ
ッド層54上に形成される。そして、n型オーミックコ
ンタクト金属層58がn型AlGaAs下位クラッド層
52に形成されて、同じ側に形成されたp型とn型のオ
ーミックコンタクト金属層を含むLED構造が形成され
る。
ワーは、従来の吸収基板AlGaAs LEDの光出力
パワーよりも2倍大きい。本発明のAlGaAs LE
Dの波長は650nmであるが、これに限定されるもの
ではない。
ーミック金属層の両方とも、透明基板の同じ側に形成さ
れる。従って、チップフリップパッケージ法が適用可能
であり、もはや、従来のワイヤボンディング法は必要な
い。従って、本発明の方法によって形成されたLEDは
より高い信頼性をもつ。さらに、透明基板,によって光
は吸収されないので、LEDの明度が改善される。その
上、高硬度のサファイアやガラスやSiCから透明基板
を形成できるので、基板を割ることなくその厚さを10
0マイクロメータまで薄くすることができるので、薄い
厚みと小さなサイズのLED構造が製造される。
lGaInPエピタキシャル構造を接合するために、弾
力特性をもつ透明粘着性物質材料を使用したことであ
る。従って、エピタキシャル構造が荒い表面をもってい
たとしても、弾力特性をもつ透明粘着性物質材料の使用
によって優れた接合結果が得られる。
きたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、そ
れらに対して様々な変更を行うことが可能であることを
正しく理解されたい。
の製造プロセスの概略断面図である。
の製造プロセスの概略断面図である。
の製造プロセスの概略断面図である。
る。
ある。
ある。
ド層 20 (AlxGa1-x)0.5In0.5Pアクティブ層 22 n型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下位クラッ
ド層 24 エッチストップ層 26 n型GaAs基板
Claims (25)
- 【請求項1】 発光ダイオードであって、 光吸収基板上に形成された多層AIGaInPエピタキ
シャル構造をもつLEDエピタキシャル構造と、 透明基板と、 前記透明基板と前記多層AlGaInPエピタキシャル
構造とを接合するために使用される弾力的な透明粘着性
物質材料であって、BCB(B-staged bisbenzocyclob
utene)樹脂及びエポキシ樹脂からなる群から選択さ
れ、もって、上記接着する温度を下げ、粗い表面を持つ
多層ALGaInPエピタキシャル構造に対し優れた接
合効果を得て、LEDの発光効率を改善するための弾力
的な透明粘着性物質材料と、前記透過性基板の同じ側に形成された第1及び第2のオ
ーミック接触金属層と、 を備える発光ダイオード。 - 【請求項2】 前記光吸収基板はGaAsである、請求
項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項3】 前記LEDエピタキシャル構造はAlG
aInPホモ構造である、請求項1に記載の発光ダイオ
ード。 - 【請求項4】 前記LEDエピタキシャル構造はAlG
aInPヘテロ構造である、請求項1に記載の発光ダイ
オード。 - 【請求項5】 前記LEDエピタキシャル構造は、Al
GaInPダブルへテロ構造である、請求項1に記載の
発光ダイオード。 - 【請求項6】 前記LEDエピタキシャル構造はAlG
aInP量子井戸である、請求項1に記載の発光ダイオ
ード。 - 【請求項7】 前記透明基板と前記LEDエピタキシャ
ル構造を接合した後で前記光吸収基板を除去するステッ
プをさらに含む、請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項8】 前記透明基板はサファイアである、請求
項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項9】 前記透明基板はガラスである、請求項1
に記載の発光ダイオード。 - 【請求項10】 前記透明基板は、GaP、もしくはG
aAsPである、請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項11】 前記透明基板は、ZnSe、ZnS、
もしくはZnSSeである、請求項1に記載の発光ダイ
オード。 - 【請求項12】 前記透明基板はSiCである、請求項
1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項13】 前記透明基板と前記多層AlGaIn
Pエピタキシャル構造とは前記以下の複数の段階、即
ち、60℃から100℃までの温度範囲で加熱/加圧工
程を実行する第1段階と、200℃から600℃の温度
範囲で加熱/加圧工程を実行する第2段階とによって接
合される、請求項1に記載の発光ダイオード。 - 【請求項14】 発光ダイオードを形成する方法であっ
て、 光吸収基板上に形成された多層AlGaAsエピタキシ
ャル構造を含むLEDエピタキシャル構造を提供するス
テップと、 透明基板を提供するステップと、弾力的な透明粘着性物質材料を用いて 前記透明基板と前
記多層AlGaAsエピタキシャル構造とを接合するス
テップであって、前記弾力的な透明粘着性物質材料は、
BCB樹脂及びエポキシ樹脂からなる群から選択され、
もって、上記接着するステップを実行する温度を下げ、
粗い表面を持つ多層ALGaInPエピタキシャル構造
に対し優れた接合効果を得て、LEDの発光効率を改善
する、前記ステップと、 第1のオーミック接触金属
層を形成し、第2のオーミック接触金属層を前記第1の
オーミック接触金属層と同じ側に形成するステップと、 を有し、 前記接合するステップは、60℃〜100
℃の温度中で加熱及び押圧ステップを実行する第1の段
階と、200℃〜600℃の温度中で加熱及び押圧ステ
ップを実行する第2の段階と、によって実行される、方
法。 - 【請求項15】 前記光吸収基板はGaAsである、請
求項14に記載の方法。 - 【請求項16】 前記LEDエピタキシャル構造はAl
GaAsホモ構造である、請求項14に記載の方法。 - 【請求項17】 前記LEDエピタキシャル構造はAl
GaAsヘテロ構造である、請求項14に記載の方法。 - 【請求項18】 前記LEDエピタキシャル構造は、A
lGaAsダブルヘテロ構造である、請求項14に記載
の方法。 - 【請求項19】 前記LEDエピタキシャル構造は、A
lGaAs量子井戸である、請求項14に記載の方法。 - 【請求項20】前記透明基板と前記LEDエピタキシャ
ル構造とを接合した後で前記光吸収基板を除去するステ
ップをさらに含む、請求項14に記載の方法。 - 【請求項21】 前記透明基板はサファイアである、請
求項14に記載の方法。 - 【請求項22】 前記透明基板はガラスである、請求項
14に記載の方法。 - 【請求項23】 前記透明基板はGaP、もしくは、G
aAsPである、請求項14に記載の方法。 - 【請求項24】 前記透明基板はZnSe、ZnS、も
しくは、ZnSSeである、請求項14に記載の方法。 - 【請求項25】 前記透明基板はSiCである、請求項
14に記載の方法。
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