JP4020977B2 - 光放射デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、多重層の裏側が、基板の表側上に設けられるように、少なくとも１つの活性層を含んでいる多重層を基板の表側上に形成した後、基板を少なくとも部分的に多重層の裏側から除去し、その後多重層をヘテロ基板と接合し、除去された基板の表側に面する多重層の裏側の上に第１の金属接触層を、そしてヘテロ基板の表側の上に第２の金属接触層を被着し、多重層の被覆された裏側をヘテロ基板の被覆された表側と熱の作用下に互に接合するようにした、光を放射するデバイスの製造方法に関する。
【０００２】
例えばＧａＡｓから成る半導体基板上に、活性層を含み光を放射する多重層をエピタキシャルに析出した光を放射する半導体デバイスはＩＩＩ−Ｖ半導体系を基礎として形成される。この活性層は、例えば種々のアルミニウム濃度を有するＩｎＧａＡｌＰから成る。エピタキシャルに被着させた多重層を基板から再びいわゆるエピタキシヤルーリフトオフ法で除去し、他の基板（ヘテロ基板）上に良好な電気的接触を形成するように固着することが極めて多くの用途にとって不可欠である。所望の用途及びそれに使用される製造技術により、一方では個別のデバイスの場合に、他方ではモノリシック集積回路の場合に種々の問題点を解決することができる。半導体チップから放射される可視光線は、例えばＧａＡｓから成る基板の主要な部分に吸収され、それにより外部から見た発光効率は最低となる。従って典型的には５１ｍ及びそれ以上の最高の光の強度及び典型的には１０％以上の効率を達成するために、放射された光を透過する基板（例えばＧａＰから成る）が優先される。同時にエピタキシャル多重層とヘテロ基板との間に、高い電流の場合でも良好な電気的接続（ＬＥＤ（発光ダイオード）半導体チップの全順方向電圧が最低の場合に）が望まれ、また製造の際高収量が望まれる。このような個別の半導体デバイスの代表的な用途には、自動車の外部照明や灯火等がある。更にオプトエレクトロニクス集積回路の実現は、最小のＩＩＩ−Ｖ半導電性のエピタキシャル層をシリコンベースの集積回路内に収容することにより可能となる。この場合１１１−Ｖ半導体素子をシリコン素子に電気的に接続することが重要である。この代表的な使用例はＬＥＤディスプレイ、光学的情報処理システム等である。
【０００３】
エピタキシャル層をヘテロ基板上に形成し、固着しそして電気的に接続することは、これまで主に２つの方法、即ちエピタキシャル層の異種基板上へのヘテロ・エピタキシーと融着により行われてきた。
【０００４】
例えばＩｎＧａＡｌＰをＧａＰの上にヘテロ・エピタキシーする場合、使用される材料の大きな格子間隔不適合のため、どうしても高い転位密度を生じることになる。これらの転位密度は確かに、比較的容易に応力を削減できるように、ＳｉＯ２マスクを使用してエピタキシャル面を減少させあるいは例えば熱サイクル下での結晶成長、中間介在層の使用等のような従来法により削減することができる。それにも拘わらず高密度の転位は、非発光性の再結合過程の増大、そしてこれに伴う光の放射の低減、そして電気的接続にとって不利な、チップにおける一定しない付加的な電圧降下を来たす。
【０００５】
ヘテロ基板上にエピタキシャル層を融着する際に、吸光性のＧａＡｓ基板は、選択的な下面のエッチングにより湿式化学的にエピタキシャル層から除去されるが、その際前以てＡｌＮ層が入れられている。残留するエピタキシャル層は、透明なＧａＰヘテロ基板上に高圧及び高温下に被着される。ファンデルワールス結合の形成に伴い、エピタキシャル層は透明なヘテロ基板上に接着する。
【０００６】
代替的に、溶解剥離されたエピタキシャル層のもとの基板表面上に、わずか数ナノメータの厚さの金属箔を蒸着してもよい。このエピタキシャル層を、それに引続いて透明又は吸光性のヘテロ基板上に被着する。場合によっては、同様に薄い金属箔を被着してもよい。続く熱処理の下で、金属接合部の合金化が行われる。この合金化により、エピタキシャル層はヘテロ基板に接着する。
【０００７】
上記の全ての製造方法（最後の場合は従来技術に加えることはできない）では、主として、数百μｍ以上の吸光性の基板の不均一な腐食除去により惹起される、２つの接合すべき本体の一定しない接合が生じ易いと言う欠点がある。エピタキシャル層とヘテロ基板との問の不均一なファンデルワールス結合及びそれと平行して生じる酸化物の形成は、不都合に高い電圧降下を半導体チップに来たし、収量は著しく減少しかねない。従ってＩｎＧａＡＩＰ層をＧａＰヘテロ基板上に融着により接合する、高電流用途の市販のＬＥＤ半導体デバイスの場合、７０ｍＡで２．４ｍＶ及びそれ以上の順方向電圧が測定され、これがその用途を著しく制限することになる。
【０００８】
従って本発明の課題は、特にオプトエレクトロニクス及び自動車用のエレクトロニクスにおいて使用される光放射デバイスの製造方法を提供することにあり、特に高電流の場合のエピタキシャル層とヘテロ基板との間のその改善された電気の移動（電子遷移）、及び製造されるＬＥＤ半導体チップの収量の増加を一定の電気的接合により可能にすることにある。
【０００９】
この課題は、請求項１又は８に記載の方法により解決される。つまり、多重層の裏側が、基板の表側上に設けられるように、少なくとも１つの活性層を含んでいる多重層を基板の表側上に形成した後、基板を少なくとも部分的に多重層の裏側から除去し、その後多重層をヘテロ基板と接合し、除去された基板の表側に面する多重層の裏側の上に第１の金属接触層を、そしてヘテロ基板の表側の上に第２の金属接触層を被着し、多重層の被覆された裏側をヘテロ基板の被覆された表側と熱の作用下に互に接合するようにした、光を放射するデバイスの製造方法において、ヘテロ基板の表側上に被着させた第２の金属接触層も、多重層の裏側上に被着させた第１の金属接触層も所期の構造に加工し、第１及び第２の金属接触層を共晶結合により互いに接合すること（請求項１）、並びに、多重層の裏側が、基板の表側上に設けられるように、少なくとも１つの活性層を含んでいる多重層を基板の表側上に形成した後、基板を少なくとも部分的に多重層の裏側から除去し、その後多重層をヘテロ基板と接合し、除去された基板の表側に面する多重層の裏側の上に第１の金属接触層を、そしてヘテロ基板の表側の上に第２の金属接触層を被着し、多重層の被覆された裏側をヘテロ基板の被覆された表側と熱の作用下に互に接合するようにした、光を放射するデバイスの製造方法において、ヘテロ基板の表側上に被着させた第２の金属接触層も、多重層の裏側上に被着させた第１の金属接触層も所期の構造に加工し、基板を湿式化学エッチングにより基板材料用の選択エッチング剤中で除去すること（請求項８）により解決される。
【００１０】
本発明は、除去された基板の表側に面する多重層の裏側上に第１の金属接触層を、そしてヘテロ基板の表側上に第２の金属接触層を被着し、このように被覆された層の裏側をヘテロ基板の上記の被覆された表側と、特に共晶結合により互いに接合することにある。
【００１１】
基板を、特に湿式化学エッチングにより基板材料用のエッチング剤中で除去し、その際基板の湿式化学エッチング法の特に有利な実施態様では、基板の機械的薄層化が先行して行われる。それにより活性層を含む多重層からの基板の極めて均一な溶解剥離が達成される。
【００１２】
本発明方法は、従来使用されてきた方法に比べて、とりわけエピタキシャルに成長させた多重層とヘテロ基板との間に一定のそして電気伝導性の接合を形成する利点、即ち一方では唯１つの最低の厚さの基板を限定して基板エッチングし、他方では片持ち式多重層を特に透明なヘテロ基板上に共晶結合する利点を有する。このような限定された基板のエッチングは、基板が最大で約１００μｍのごく僅かな全層厚を有するとき特に有利である。比較的厚い基板の場合、本発明方法では基板の湿式化学エッチングに先行して、典型的には全体で１００μｍの厚みを持つ基板の機械的薄層化を行うのが有利である。従ってウエハの直径が５ｃｍ及びそれ以上であっても、基板の均一な溶解をエッチングにより行うことができる。
【００１３】
２つの第１及び第２の金属接触層の共晶結合には、金を含有するろう層を使用するのがよく、この層を第１又は第２の接触層上で所望の構造に加工するか又は両方の接触層上に被着し、そして２つの接触層の接合の際に特にレーザろう接により溶解して接合し、この２つの部分はその後の接合部の冷却時にろう接する。共晶はんだの接着は、そのために用意された所望の構造を持つ金属化部の個所だけに行うのがよい。それにより限定された金属接合が２つの部分構成素子間に行われ、その結果高電流でも有利なデバイス特性と、同時にデバイスの製造時に高収量とがもたらされる。
【００１４】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項により明らかとする。
【００１５】
本発明を図示の実施例に基づき以下に詳述する。図面はそれぞれ概略図である。
【００１６】
図１は基板上にエピタキシャルに析出された多重層の概略断面図を、
図２は比較的厚い基板をエッチングした後の概略断面図を、また
図３は本発明により製造された、ヘテロ基板上に共晶結合された多重層を有する光放射デバイスの概略断面図を示す。
【００１７】
本発明方法により製造された光放射デバイスの図示の実施例は、ＧａＡｓから成る半導体基板１を含んでおり、この上に半導体基板１から出発して第１のコート層２、活性層３及び第２のコート層４を有する、エピタキシャルに析出された多重層が被着されている。図１による実施例の活性層３は、典型的には最大で８００ｎｍの放射波長を有するＩｎＧａＡｌＰの二重ヘテロ構造を示している。あるいはまた、この活性層はホモｐｎ接合によっても形成可能である。第２のコート層４上にはＧａＰから成る捕捉層５が典型的には１０μｍから約５０μｍまでの厚さで析出され、この層はルミネッセンスダイオードにより放射される光の捕捉効率を改善する作用をする。特に光源として、光学通信技術で使用されるルミネッセンスダイオード又は発光ダイオードの送信素子の場合、個々の層２、３、４、５から成る多重層の配列及び機能は、当業者に周知であり、ここでは詳述する必要はないものである。放射光線の所望の波長により、種々の半導体系が使用され、それぞれその基礎となる半導体材料が、それぞれ別個の技術的問題を提起する種々の製造方法も結果としてもたらす。約４００から８００ｎｍまでの波長を有する可視スペクトル範囲にはＡｌＧａＩｎＰ合金系が使用され、これに図示の実施例も基づいており、その際アルミニウムの含有量を調整することにより比較的広い色の範囲の所望の波長を求めることができる。しかし原理的に本発明方法は、通常ＡｌＧａＡｓ系をベースとする赤外線範囲の比較的波長の長いルミネッセンスダイオードの製造にも使用することができ、その際約１０％から３０％までの典型的範囲内におけるアルミニウム含有量の調整により、約８００ｎｍ以上の放射光の波長を得ることができる。
【００１８】
ＧａＡｓから成る基板１は、最初は全層厚が典型的には数１００μｍあってもよい。本発明方法に先行する工程として使用するには、この場合基板１の機械的薄層化を研磨により行うと有利であり、この理由から基板１の全厚を約１００μｍに設定する。研磨後の状態は図１に示されている。それに引続いて、半導体ウエハを基板１の材料用に選択したエッチング剤に浸漬する。ＧａＡｓの場合、エッチング剤として例えば４：２：１の割合のＨ₂Ｏ：ＮＨ₃：Ｈ₂Ｏ₂の溶液が使用される。約４５分後、基板１は完全に溶解され、他方層２、３、４、５から成る多重層が腐食されることはない。ＧａＡｓ基板１の溶解は、この場合その厚さが最低であるため、極めて均」に行われる。５ｃｍ及びそれ以上のウエハ直径を有する溶解剥離された多重層を得ることは容易に可能である。
【００１９】
図２は先行して機械的薄層化を行うことなく、湿式化学によりエッチングされた数１００μｍの厚さのＧａＡｓ基板１の場合が示されている。この図では不規則なエッチング腐食が見られ、これが結局多重層と、その後に接合される透明なヘテロ基板との間に、もはや均一ではない接合部が生じる。従って本発明方法では、比較的厚い基板１の場合まず機械的研磨工程を行う方が有利である。
【００２０】
図３はヘテロ基板土台上の湿式化学により溶解剥離された、エピタキシャル多重層の固着及び電気的接続を概略的に示している。このために、剥離された多重層の裏側６（ｎ型側面）の上に薄い金層で被覆されたｎ型接触部７が所期の構造を持って被着される。透明なヘテロ基板９の表側８上に、ｎドープされたＧａＰヘテロ基板９の場合イ同様に所期の構造を持つｎ型接触部１０又は例えばガラス又はシリコンから成るヘテロ基板用に、その表面が共晶はんだとしての薄いＡｕＳｎ層で被覆されている他の金属化部を被着する。金属接触層１０を備えた透明なヘテロ基板９及び金属接触層７を備えた多重層は上下に配置され、適当な熱源で熱処理される。接触層１０上のＡｕＳｎ被覆（大まかに符号１１で示されている）は溶解接合され、冷却時に接合部の２つの部分的構成素子はろう接され、その結果図３に概略的に示されているようなエピタキシャル多重層２、３、４、５の裏側接触部７と透明なヘテロ基板９の表側接触部１０との間の電気的及び機械的接合が生じる。従ってこれらの２つのチップ素子間に限定された金属接合部が生じ、これは高い電流の場合でも有利なデバイス特性を、しかも比較的高い製造収量で可能にする。ちなみに、符号１２はヘテロ基板９上の金属製のｎ型裏側接触部を表し、符号１３は捕捉層５上のｐ型接触部を表す。
【００２１】
要するに、本発明は、少なくとも１つの活性層３を含んでいる多重層２、３、４、５を半導体材料から成る基板１の表側上に形成した後、この基板１を少なくとも部分的に除去し、その後多重層２、３、４、５をヘテロ基板９と接合するようにした光放射デバイスの製造方法に関する。基板１を湿式化学エッチングにより基板の材料用の選択エッチング剤中で除去し、除去された基板１の表側に面する多重層２、３、４、５の裏側６上に第１の金属接触層７を、またヘテロ基板９の表側８上に第２の金属接触層１０を被着する。このように被覆された多重層２、３、４、５の裏側６を、ヘテロ基板９の層１０で被覆された表側８と、熱の作用下に共晶結合により互に接合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は基板上にエピタキシャルに析出された多重層の概略断面図を示す。
【図２】図２は比較的厚い基板をエッチングした後の概略断面図を示す。
【図３】図３は本発明により製造された、ヘテロ基板上に共晶結合された多重層を有する光放射デバイスの概略断面図を示す。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ コート層
３ 活性層
４ 第２のコート層
５ 捕捉層
６ 多重層の裏側
７ ｎ型接触部
８ 表側
９ ヘテロ基板
１０ ｎ型接触部
１１ ＡｕＳｎ被覆
１２ ｎ型裏側接触部

Claims (9)

1. 多重層（２、３、４、５）の裏側（６）が、基板（１）の表側上に設けられるように、少なくとも１つの活性層（３）を含んでいる前記多重層（２、３、４、５）を前記基板（１）の表側上に形成した後、前記基板（１）を少なくとも部分的に前記多重層（２、３、４、５）の前記裏側（６）から除去し、その後前記多重層（２、３、４、５）をヘテロ基板（９）と接合し、除去された前記基板（１）の表側に面する前記多重層（２、３、４、５）の前記裏側（６）の上に第１の金属接触層（７）を、そして前記ヘテロ基板（９）の表側（８）の上に第２の金属接触層（１０）を被着し、前記多重層（２、３、４、５）の被覆された前記裏側（６）を前記ヘテロ基板（９）の被覆された前記表側（８）と熱の作用下に互に接合するようにした、光を放射するデバイスの製造方法において、ヘテロ基板（９）の表側（８）上に被着させた第２の金属接触層（１０）も、多重層（２、３、４、５）の裏側（６）上に被着させた第１の金属接触層（７）も所期の構造に加工し、第１及び第２の金属接触層（７、１０）を共晶結合により互いに接合することを特徴とする光放射デバイスの製造方法。
2. 第１と第２の金属接触層（７、１０）の共晶結合に金を含有するろう接層（１１）を使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ヘテロ基板（９）が透明な材料から成ることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ＧａＡｓ基板（１）の上に、ＩｎＧａＡｌＰ及び／又はＧａＡ６及び／又はＡｌＧａＡｓを含む活性層（３）を有するエピタキシャルに析出させた多重層（２、３、４、５）を形成すること特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法。
5. エピタキシャルに析出させた多重層（２、３、４、５）が、基板（工）から出発して第１のコート層（２）、活性層（３）、第２のコート層（４）及び捕捉層（５）を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法。
6. 多数の光放射デバイスをウエハの結合によって製造し、その際ウエハが２インチ又はそれ以上の直径を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の方法。
7. 基板（１）もしくはヘテロ基板（９）に面していない多重層（２、３、４、５）の表側に捕捉層（５）を形成し、この捕捉層（５）の上に、特に析出させた金属製の、所期の構造を持つ電極層（１３）を設置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の方法。
8. 多重層（２、３、４、５）の裏側（６）が、基板（１）の表側上に設けられるように、少なくとも１つの活性層（３）を含んでいる前記多重層（２、３、４、５）を前記基板（１）の表側に形成した後、前記基板（１）を少なくとも部分的に前記多重層（２、３、４、５）の前記裏側（６）から除去し、その後前記多重層（２、３、４、５）をヘテロ基板（９）と接合し、除去された前記基板（１）の表側に面する前記多重層（２、３、４、５）の前記裏側（６）の上に第１の金属接触層（７）を、またヘテロ基板（９）の表側（８）上に第２の金属接触層（１０）を被着し、前記多重層（２、３、４、５）の被覆された前記裏側（６）をヘテロ基板（９）の被覆された表側（８）と熱の作用下に互に接合するようにした光を放射するデバイスの製造方法において、ヘテロ基板（９）の表側（８）上に被着させた第２の金属接触層も、多重層（２、３、４、５）の裏側（６）上に被着させた第１の金属接触層（７、１０）も所期の構造に加工し、基板（１）を湿式化学エッチングにより基板材料用の選択エッチング剤中で除去することを特徴とする光放射デバイスの製造方法。
9. 基板（１）の湿式化学エッチングに対し、基板（１）の機械的薄層化を先行ざせることを特徴とする請求項８記載の方法。

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