JP5021157B2 - 発光ダイオード、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオードに関し、特にｐ、ｎ両電極が同一方向に形成されるアルミガリウムインジウムリン系（ＡｌＧａＩｎＰ）発光ダイオード、及びアルミガリウムヒ素系（ＡｌＧａＡｓ）発光ダイオードの構造と、その製造方法に関する。
従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、ダブルへテロ構造（Double Heterostructure：DHと称する）を具えたものである。その構造は図６に開示するようにｎ型ＧａＡｓ基板３上にアルミニウムの含有量が７０％〜１００％のｎ型 (AlxGa１-x)0.5 In0.5P の下被覆層４と(AlxGa１-x)0.5 In0.5P の活性層５と、アルミニウムの含有量が７０％〜１００％のｐ型 (AlxGa１-x)0.5 In0.5P の上被覆層６と、及びｐ型高エネルギーギャップの電流分散層（Current Spreading Layer）７を成長させて調製したものである。該電流分散層７は、例えば、Ｇａｐ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＡｓなどを材料とするものである。
次いで、活性層５の組成を利用し、発光ダイオードの発光の波長を変化させ、６５０ｎｍの赤色から５５５ｎｍの純粋な緑色の波長を発生するようにしたものである。
しかし、上述する従来の発光ダイオードは欠点が包蔵されている。即ち、ｎ型ＧａＡｓ基板３のエネルギーギャップが小さいため、活性層で発生する光が下方のｎ型ＧａＡｓ基板３に入射すると光線が吸収されるので、高効率の発光ダイオードであるということができない。
基板が光線を吸収する現象を防ぐため、従来の一部文献にはＬＥＤに係る技術が開示されている。しかし、これら技術は、いずれも欠点と制限を有する。Sugawaraらが「Appl. Phys Lett. Vol. 61, 1775-1777(1992)」に発表した技術は、ＧａＡｓ基板上にブラッグ反射層（Distributed Bragg Reflector：DBRと称する）を加え、ＧａＡｓ基板に入射する光線を反射して、基板による光線の吸収を減少させるものである。
また、Kishらが「Appl. Phys Lett. Vol. 64, No.21 2839(1994)」に発表した文献「Very high-efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate(AlxGa１-x)0.5 In0.5P／Gap」には接着したウェハ（Wefer bonding）による透過式基板(transparent-substrate;TS)の(AlxGa１-x)0.5 In0.5P／GaP発光ダイオードが開示されている。かかるＴＳＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤ は、ＶＥＰ法で所定の厚さ（約５０μｍ）のｐ型ガリウムリン(ＧａＰ)ウィンドウ層を形成する。更に従来の化学エッチング法によって選択的にｎ型ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を除去する。次いで露出させたｎ型(ＡｌxＧａ１-x)０．５Ｉｎ０．５Ｐ下被覆層を約８〜１０ｍｉｌのｎ型ＧａＰ基板に接着する。
上述するウェハ接着（Wefer bonding）は、２種類のIII−Ｖ族化合物半導体を直接接着するものである。よって比較的高い温度条件で所定の時間加熱、加圧して始めて接着が完成する。輝度については、上述する方法で得られたＴＳ ＡｓＧａＩｎＰ ＬＥＤは、従来の吸収式基板（Abstorbing-Substrate;ＡＳ）ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤに比して２倍以上の輝度を有する。しかし、かかるＴＳ ＡｓＧａＩｎＰ ＬＥＤは、製造工程が煩雑になるという欠点を有する。しかも通常、接合インタフェースが非オーミックコンタクトの高電気抵抗特性を有している。
その他の従来の技術としては、Horngらが「Appl. Phys Lett. Vol. 75, No.20, 3054(1999)」に発表した文献 AlGaInP light-emitting diodes with mirror substrates fabricated by wafer bonding」が挙げられる。該文献にはウェハ融合技術を利用した鏡面基板(Mirror-Substrate;MS)のアルミガリウムインジウムリン／金属／二酸化ケイ素／ケイ素LEDが開示されている。これはＡｕＢｅ／Ａｕを粘着剤とし、シリコン基板とLEDエピタキシ層とを接着したものである。
Appl. Phys Lett. Vol. 61, 1775-1777(1992) Appl. Phys Lett. Vol. 64, No.21 2839(1994) Appl. Phys Lett. Vol. 75, No.20, 3054(1999)
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本発明の課題は、比較的低い温度条件でチップの接着を行い、Ｖ族元素が接着の過程で揮発するという問題を改善する直列した発光ダイオード、及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の課題は、チャネル接続によって好ましい光電特性が得られ、同等の定電流によって比較的小さく、且つ安定した電圧が得られ、好ましい電流の分布が得られる直列した発光ダイオード、及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明は、金属接着層によって発光ダイオードとシリコン基板を接合し、発光ダイオードエピタキシチップ表面が平坦でなくても密接させることのできる直列した発光ダイオード、及びその製造方法を提供することを課題とする。
また、本発明は、ＲＧＢの３色の同時パッケージが容易で、且つ並列、直列いずれにも使用できる直列した発光ダイオード、及びその製造方法を提供することを課題とする。
さらに、本発明は、ボンディング電極を同一端縁部に設けることによって、ダイシングが容易で直列、もしくは並列が容易な直列した発光ダイオード、及びその製造方法を提供することを課題とする。
そこで、本発明者らは、従来の技術の問題点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、 第一発光ダイオード素子と、誘電保護層を介して該第一発光ダイオード素子と隔てられる第二発光ダイオード素子と、該誘電保護層の上に形成されて該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子の極性の異なる電極を連結して直列構造を形成するボンディング金属層とを含み、且つ直列構造の発光ダイオードであって、該第一発光ダイオード素子と、該第二発光ダイオード素子は同様の構造を有する発光ダイオード素子であって、それぞれ下から上へ高導熱基板と、非導体型保護層と、金属接着層と、鏡面保護層と、オーミックコンタクトエピタキシ層と、上被覆層と、活性層と、下被覆層とを形成してなり、第一オーミックコンタクト金属電極を該第一鏡面保護層と、該オーミックコンタクトエピタキシ層との接合面上に形成し、且つ該鏡面保護層内に延伸させ、第二オーミックコンタクト金属電極を該下被覆層上に形成したものである。
また、それぞれの該発光ダイオード素子は、同一端縁部に第一溝を形成して該オーミックコンタクトエピタキシ層を露出させ、該第一溝はさらに該第一オーミックコンタクト金属電極に連結される電極連結チャネルと、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる仕切り溝とを含み、該仕切り溝は該非導体型保護層に達するまでの深さに形成され、該誘電保護層は、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる該仕切り溝に充填するとともに、該第二発光ダイオード素子の該第一ダイオード素子に隣接する側壁上に形成されたものである。
かかる発光ダイオードの構造と、その製造方法によって課題を解決できる点に着眼し、かかる知見に基づき本発明を完成させた。
かかる発光ダイオードの構造と、その製造方法によって課題を解決できる点に着眼し、かかる知見に基づき本発明を完成させた。
以下、本発明について具体的に説明する。
請求項１に記載する第一発光ダイオード素子と、誘電保護層を介して該第一発光ダイオード素子と隔てられる第二発光ダイオード素子と、該誘電保護層の上に形成されて該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子の極性の異なる電極を連結して直列構造を形成するボンディング金属層とを含み、且つ直列構造の発光ダイオードであって、
該第一発光ダイオード素子と、該第二発光ダイオード素子は同様の構造を有する発光ダイオード素子であって、それぞれ下から上へ高導熱基板と、非導体型保護層と、金属接着層と、鏡面保護層と、オーミックコンタクトエピタキシ層と、上被覆層と、活性層と、下被覆層とを形成してなり、第一オーミックコンタクト金属電極を該第一鏡面保護層と、該オーミックコンタクトエピタキシ層との接合面上に形成し、且つ該鏡面保護層内に延伸させ、第二オーミックコンタクト金属電極を該下被覆層上に形成し、
それぞれの該発光ダイオード素子は、同一端縁部に第一溝を形成して該オーミックコンタクトエピタキシ層を露出させ、該第一溝はさらに該第一オーミックコンタクト金属電極に連結される電極連結チャネルと、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる仕切り溝とを含み、該仕切り溝は該非導体型保護層に達するまでの深さに形成され、
該誘電保護層は、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる該仕切り溝に充填するとともに、該第二発光ダイオード素子の該第一ダイオード素子に隣接する側壁上に形成されるものである。
請求項１に記載する第一発光ダイオード素子と、誘電保護層を介して該第一発光ダイオード素子と隔てられる第二発光ダイオード素子と、該誘電保護層の上に形成されて該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子の極性の異なる電極を連結して直列構造を形成するボンディング金属層とを含み、且つ直列構造の発光ダイオードであって、
該第一発光ダイオード素子と、該第二発光ダイオード素子は同様の構造を有する発光ダイオード素子であって、それぞれ下から上へ高導熱基板と、非導体型保護層と、金属接着層と、鏡面保護層と、オーミックコンタクトエピタキシ層と、上被覆層と、活性層と、下被覆層とを形成してなり、第一オーミックコンタクト金属電極を該第一鏡面保護層と、該オーミックコンタクトエピタキシ層との接合面上に形成し、且つ該鏡面保護層内に延伸させ、第二オーミックコンタクト金属電極を該下被覆層上に形成し、
それぞれの該発光ダイオード素子は、同一端縁部に第一溝を形成して該オーミックコンタクトエピタキシ層を露出させ、該第一溝はさらに該第一オーミックコンタクト金属電極に連結される電極連結チャネルと、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる仕切り溝とを含み、該仕切り溝は該非導体型保護層に達するまでの深さに形成され、
該誘電保護層は、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる該仕切り溝に充填するとともに、該第二発光ダイオード素子の該第一ダイオード素子に隣接する側壁上に形成されるものである。
請求項２に記載する直列した発光ダイオードは、請求項１における鏡面保護層が、酸化インジウムスズ（Indium tin oxide）か、酸化インジウム（Indium oxide）か、酸化スズ（Tin oxide）か、酸化亜鉛（Zinc oxide）か、酸化マグネシウム（Magnesium oxide）か、酸化アルミニウム（Al2O3）か、二酸化ケイ素（SiO2）か、もしくは窒化ケイ素（SiNx）か、スピン塗布したガラスか、シリコン樹脂（Silicone）か、BCB（B-staged bisbenzo cyclo-butene）か、エポキシ樹脂（Epoxy）か、ポリイミド（Polyimide）か、もしくはこれらを混合してなる組成グループの内から選択され、
該高導熱基板がＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属か、ケイ素（Ｓｉ）か、ガリウムリン（ＧａＰ）か、炭化ケイ素（ＳｉＣ）か、もしくはその組み合わせから選択され、
該金属接着層の材質がＩｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属から選択され、且つ該金属ボンディング電極の最外層がＡｌか、もしくはＡｕである。
該高導熱基板がＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属か、ケイ素（Ｓｉ）か、ガリウムリン（ＧａＰ）か、炭化ケイ素（ＳｉＣ）か、もしくはその組み合わせから選択され、
該金属接着層の材質がＩｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属から選択され、且つ該金属ボンディング電極の最外層がＡｌか、もしくはＡｕである。
請求項３に記載する直列した発光ダイオードは、請求項２における該鏡面保護層が非導体型の鏡面保護層である場合、該鏡面保護層が少なくとも一以上のチャネルを含み、該金属接着層が該チャネルを介して該第一オーミックコンタクト電極層に連結する。
請求項４に記載する 直列された発光ダイオードの製造方法であって、少なくとも、
仮の基板を提供するステップと、
該仮の基板上にエッチングストップ層と、下被覆層と活性層と上被覆層とを含むエピタキシ多重構造とを順に形成するステップと、
オーミックコンタクトエピタキシ層を該上被覆層上に形成するステップと、
第一オーミックコンタクト金属電極を該オーミックコンタクトエピタキシ層上に形成するステップと、
該オーミックコンタクトエピタキシ層上に鏡面保護層を形成し、且つ該第一オーミックコンタクト金属電極を被覆するステップと、
高導熱基板を提供するステップと、
金属接着層を該高導熱基板上に提供して該高導熱基板と該鏡面保護層とを接着するステップと、
該仮の基板と、該エッチングストップ層とを除去するステップと、
マイクロフォト技術及びエッチング技術によって、該高導熱基板と、該鏡面保護層とを接着した構造体の該下被覆層から該オーミックコンタクトエピタキシ層に到るまでエッチングし、二つの隣接する発光ダイオードにおける同一端縁部の位置にそれぞれ第一チャネルを形成するステップと、
マイクロフォト技術及びエッチング技術によって、該二つの第一チャネルの下に位置する該オーミックコンタクトエピタキシ層をエッチングして二つの第二チャネルを形成し、該第一オーミックコンタクト金属電極を露出するステップと、
該二つの隣接する発光ダイオードが存在する位置における下被覆層上に第二オーミックコンタクト金属電極を形成するステップと、
該二つの第二オーミックコンタクト金属電極及び該二つの第二チャネル内の該第一オーミックコンタクト金属電極の上に４つの金属ボンディング電極を形成するステップと、
該第一チャネルのうちの一端縁部に仕切り溝を形成して該隣接する二つの発光ダイオードを隔離するステップと、
誘電体層を該仕切り溝に充填し、且つ該隔離溝の側面の第一チャネルに隣接する第二発光ダイオードの側壁に誘電体層を形成するステップと、
該誘電体層上にボンディング金属層を形成して該第一発光ダイオードの第一オーミックコンタクト金属電極の上の該金属ボンディング電極と、該第二ダイオードの第二オーミックコンタクト金属電極の上の該金属ボンディング電極とを直列するステップと、を含む。
仮の基板を提供するステップと、
該仮の基板上にエッチングストップ層と、下被覆層と活性層と上被覆層とを含むエピタキシ多重構造とを順に形成するステップと、
オーミックコンタクトエピタキシ層を該上被覆層上に形成するステップと、
第一オーミックコンタクト金属電極を該オーミックコンタクトエピタキシ層上に形成するステップと、
該オーミックコンタクトエピタキシ層上に鏡面保護層を形成し、且つ該第一オーミックコンタクト金属電極を被覆するステップと、
高導熱基板を提供するステップと、
金属接着層を該高導熱基板上に提供して該高導熱基板と該鏡面保護層とを接着するステップと、
該仮の基板と、該エッチングストップ層とを除去するステップと、
マイクロフォト技術及びエッチング技術によって、該高導熱基板と、該鏡面保護層とを接着した構造体の該下被覆層から該オーミックコンタクトエピタキシ層に到るまでエッチングし、二つの隣接する発光ダイオードにおける同一端縁部の位置にそれぞれ第一チャネルを形成するステップと、
マイクロフォト技術及びエッチング技術によって、該二つの第一チャネルの下に位置する該オーミックコンタクトエピタキシ層をエッチングして二つの第二チャネルを形成し、該第一オーミックコンタクト金属電極を露出するステップと、
該二つの隣接する発光ダイオードが存在する位置における下被覆層上に第二オーミックコンタクト金属電極を形成するステップと、
該二つの第二オーミックコンタクト金属電極及び該二つの第二チャネル内の該第一オーミックコンタクト金属電極の上に４つの金属ボンディング電極を形成するステップと、
該第一チャネルのうちの一端縁部に仕切り溝を形成して該隣接する二つの発光ダイオードを隔離するステップと、
誘電体層を該仕切り溝に充填し、且つ該隔離溝の側面の第一チャネルに隣接する第二発光ダイオードの側壁に誘電体層を形成するステップと、
該誘電体層上にボンディング金属層を形成して該第一発光ダイオードの第一オーミックコンタクト金属電極の上の該金属ボンディング電極と、該第二ダイオードの第二オーミックコンタクト金属電極の上の該金属ボンディング電極とを直列するステップと、を含む。
本発明の発光ダイオードは、Ｖ族元素が接着の過程で揮発するという問題を改善し、且つ金属接着層によって発光ダイオードとシリコン基板を接合するため、発光ダイオードエピタキシチップ表面が平坦でなくても密接させることができ、製品の歩留まりを高め、製造コストを節減できるという利点を有する。
また、本発明の発光ダイオードは、好ましい光電特性と、安定した電圧と、好ましい電流の分布が得られ、高い発光効率が得られるという利点を有する。
また、本発明の発光ダイオードは、ＲＧＢの３色の同時パッケージが容易で、且つ並列、直列いずれにも使用できるため、製品の広い応用性を具えるという利点を有する。
本発明は、ｐ、ｎ両電極が同一方向に形成されたアルミガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ）、及びアルミガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）発光ダイオードの構造、及びその製造方法を提供するものである。即ち本発明の提供する発光ダイオードの構造は、発光層を含む多層エピタキシ構造であって、金属接着層を介して基板に接合する。該発光ダイオードの発光層はホモ構造（Homostructure）か、シングルへテロ構造(Single heterostructure:SH)か、ダブルへテロ構造(Double heterstructure:DH)か、もしくは多重量子井戸構造(Multi quantum wells:MQWs)であってもよい。
発光ダイオードの構造は、第一オーミックコンタクト金属電極と、第二オーミックコンタクト金属電極とを含む。第一オーミックコンタクト金属電極はチャネルを介して第一金属ボンディング電極に接続し、第一金属ボンディング電極は、第一導電型エピタキシ層上に位置するか、もしくは第一金属ボンディング電極が金属接続層上に位置する。第二金属ボンディング電極は第二オーミックコンタクト金属電極上に位置し、第一金属ボンディング電極と、第二金属ボンディング電極とが相対的に基板の同一端縁部に位置し、ダイシングを行い化学エッチングか、イオンエッチング及び保護層形成を経て結晶粒を直列する。
本発明の提供する発光ダイオードの製造方法は、先ず、発光ダイオードエピタキシ層上に第一オーミックコンタクト金属電極を形成し、その上に鏡面保護層を積層させる。該鏡面保護層は、例えば導体型の酸化スズインジウム（Ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）か、もしくは非導体型の鏡面保護層である。当然のことながら非導体型の鏡面保護層を採用した場合、仮に金属接着層、もしくは高導電導熱基板を電極とするのであれば、非導体型の鏡面保護層に対してエッチングを行い、第一オーミックコンタクト金属電極と接続するチャネルを形成する。
次に、高導熱基板上に非導体型の保護層を形成し、例えばＩｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属による金属接着層を介して発光ダイオードエピタキシ層と非導体型保護層を含む高導熱基板とを接合し、更に発光ダイオード基板を導体型エッチングストップ層に到るまでエッチングして除去する。
次に、二つの部分に分けてエッチングを行い、第一オーミックコンタクト金属電極に連通させる。該二つの部分とは、第一部分が第一導電型エピタキシ層に到るまでエッチングする部分であって、第二の部分は第一導電型エピタキシ層から傾斜金属接続チャネルに到るまでエッチングする部分であって、更に第一オーミックコンタクト電極に到るまでエッチングする。次に、第一導電型エピタキシ層に第一金属ボンディング電極を形成し、傾斜金属接続チャネルを介して第一金属ボンディング電極と第一オーミックコンタクト電極とを接続する。最後に、第二オーミックコンタクト電極と第二金属ボンディング電極とを形成する。よって第一金属ボンディング電極と第二金属ボンディング電極とが相対的に高導熱基板の同一端縁部に形成される。
次いで、ダイシングを行う。化学エッチングか、もしくはイオンエッチングによって二つの結晶粒に分割し、誘電保護層を被エッチング領域と結晶粒の隣接する側壁に充填し、更に金属接続層を該誘電保護層上に形成し、第一結晶粒の第一オーミックコンタクト金属電極と第二結晶粒の第二オーミックコンタクト金属電極とを接続して直列された結晶粒を完成させる。
かかる構成の直列した発光ダイオードと、その製造方法について、その構造と特徴を詳述するために具体的な実施例を挙げ、以下に説明する。
かかる構成の直列した発光ダイオードと、その製造方法について、その構造と特徴を詳述するために具体的な実施例を挙げ、以下に説明する。
図１Ａに開示するように、本発明による発光ダイオードのエピタキシ構造は、ｎ型ＧａＡｓ基板２６と、エッチングストップ層（Etching Stop Layer）２４と、ｎ型 (AlxGa１-x)0.5In0.5P の下被覆（cladding）層２２と、(AlxGa１-x)0.5In0.5P の活性層（Active Layer）２０と、ｐ型(AlxGa１-x)0.5In0.5P の上被覆層１８と、及びｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層（Ohmic Contact Epitaxial Layer）１６とを順に積層する。
次いで、従来の技術によって、ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層１６上にｐ型オーミックコンタクト金属電極２８を形成する。さらに鏡面保護層３０を積層させる。鏡面保護層３０は、酸化インジウムスズ（Indium tin oxide）か、酸化インジウム（Indium oxide）か、酸化スズ（Tin oxide）か、酸化亜鉛（Zinc oxide）か、酸化マグネシウム（Magnesium oxide）か、酸化アルミニウム（Al2O3）か、二酸化ケイ素（SiO2）か、もしくは窒化ケイ素（SiNx）のうちの一を選択して材料とする。酸化アルミニウム（Al2O3）、二酸化ケイ素（SiO2）、窒化ケイ素（SiNx）は絶縁層である。
本発明においては、第１コンタクト電極層であるｐ型オーミックコンタクト金属電極２８を電極とする以外に、後述する金属反射層を電極とする。よって、かかる構成においては、マイクロフォト、及びエッチング技術によって鏡面保護層３０にチャネル３０Ａを形成する必要がある、チャネル３０Ａは金属接着層１４を注入し、ｐ型オーミックコンタクト金属電極２８と電気的接続を形成するために提供される。その結果を図１Ｂに開示する。
ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層１６の材料は、アルミガリウムヒ素か、アルミガリウムインジウムリンか、もしくはガリウムヒ素リンであってもよい。即ち、エネルギーギャップが活性層２０よりも大きく、活性層２０から発生する光線を吸収することなく、かつ高いキャリア濃度を有しオーミックコンタクトの形成に有利な材料であれば、ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層１６の材料の候補として選択することができる。
活性層２０は、アルミニウム含有量の範囲がｘ＝０〜０．４５であって、上被覆層１８と下被覆層２２のアルミニウムの含有量は約ｘ＝０．５〜１．０に制御する。活性層２０のアルミニウム含有量がｘ＝０の場合、活性層２０９の組成はＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐであって、発光ダイオードの波長λｄが約６３５ｎｍである。
上述する化合物の比例について、活性層は好ましい例として (AlxGa１-x)0.5In0.5P を挙げたが、これを以って本発明の実施の範囲を制限するものではない。本発明は、その他の例を同様に適用することができる。また、本発明において、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２０の構造は、従来のホモ構造（Homo Structure）、シングルへテロ構造（Single Hetero Structure）、ダブルへテロ構造（Double Hetero Structure：DH）、もしくは多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）などを採用することができる。
いわゆるダブルへテロ構造（ＤＨ）とはｍ図１Ａ及び図１Ｂに開示するように、ｎ型(AlxGa１-x)0.5In0.5P の下被覆層２２と(AlxGa１-x)0.5In0.5P の活性層２０と、ｐ型(AlxGa１-x)0.5In0.5P の上被覆層１８とを含む。これら三層のそれぞれの厚さは、好ましくは０．５〜０．３μm、０．５〜０．３μm、０．５〜０．３μmである。
本発明におけるエッチングストップ層２４の材質は、如何なるIII―Ｖ族元素の化合物半導体であってもよく、主に結晶格子の常数が、転移の発生を防ぐためにｎ型ＧａＡｓ基板２６に相当し、かつエッチング速度が砒化ガリウム物質によって組成されるｎ型ＧａＡｓ基板２６に比しては甚だしく遅ければ、エッチングストップ層２４とすることができる。
また、本発明におけるエッチングストップ層２４の好ましい材質は、インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）か、アルミガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）である、
実施例におけるｎ型(AlxGa１-x)0.5 In0.5P の下被覆層２２は、エッチング速度がｎ型ＧａＡｓ基板２６に比して甚だしく遅い。このため、その厚さが比較的厚ければ、別途異なるエピタキシ層を形成してエッチングストップ層とする必要がない。
次に、図２に開示するような構造を提供する。該構造は、金属接着層１４を含み、Ｉｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属材を使用する。基板１０は、金属熱伝導率の高いシリコン（Ｓｉ）チップ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）チップ、燐化ガリウム（ＧａＰ）チップ、もしくはＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどを使用する。非導体型保護層１２は、酸化アルミ（Al2O3）、二酸化ケイ素（SiO2）、窒化ケイ素（SiNx）などの誘電材を用いるか、もしくはスピン塗布したガラス（SOG）、シリコン樹脂（Silicone）、BCB（B-staged bisbenzo cyclo-butene）、エポキシ樹脂（Epoxy）、ポリイミド（Polyimide）などを保護層とする。
図１Ａ、図１Ｂに開示するｐ型オーミックコンタクト金属電極２８、及び鏡面保護層３０を形成した発光ダイオードチップと、図２に開示する非導体型保護層１２、及び高い熱伝導特性を有する基板１０とを金属接着層１４で粘着する。粘着の工程は約２００℃〜６００℃の高温で加圧し、所定の時間加熱して完成させる。金属接着層１４は図１Ａに開示する発光ダイオードエピタキシチップと、高い熱伝導特性を有する基板１０とを均一に接続させる作用を有する。
次に、粘着したエピタキシチップを腐食液（例えば5H3PO4:H2O2:3H2O或いは1NH4OH:35H2O2）で腐食させて非透過性のｎ型ＧａＡｓ基板２６を除去する。エッチングストップ層２４にＩｎＧａｐかＡｌＧａＡｓを採用した場合、活性層２０から発生する光線を吸収する。よってこの場合腐食液で完全に除去する必要が無い。
次に、マイクロフォト技術とドライエッチング法を利用したエッチング、例えばリアクティブ・イオン・エッチング（Reactive Ion Etching）で利用してエッチングを行う。図３Ａ、図３Ｂに開示するようにｎ型 (AlxGa１-x)0.5 In0.5P の下被覆層２２と、(AlxGa１-x)0.5 In0.5P の活性層２０と、ｐ型 (AlxGa１-x)0.5 In0.5P の上被覆層１８と、ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層１６の一部を上から下へ順にエッチングし、ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層１６を露出させてエッチングテーブルを形成する。次いでマイクロフォト技術とエッチング技術とを利用して第２段階のエッチングを行い、ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層１６をエッチングしてｐ型オーミックコンタクト金属電極２８を露出させて傾斜チャネルを形成する。
次に、ｎ型 (AlxGa１-x)0.5 In0.5P の下被覆層２２にフォトレジストのパターン（図示しない）を形成し、ｎ型オーミックコンタクト金属電極３２を形成する。ここで注意すべき点は、該フォトレジストのパターンはｎ型 (AlxGa１-x)0.5 In0.5P の下被覆層２２上のみに開口を有して、ｎ型オーミックコンタクト金属電極３２の位置を決定し、その他の部分は該フォトレジストパターンによって被覆される点である。この後、ｎ型オーミックコンタクト金属電極３２を形成し、更にフォトレジスト状に形成した金属層と、フォトレジストとを除去してｎ型オーミックコンタクト金属電極３２の位置を確定する。
次に、ｎ型オーミックコンタクト金属電極３２を形成する方法と同様の方法によって、フォトレジストパターンを形成し、二つの金属ボンディング電極３４の位置を決定する（露出したｎ型オーミックコンタクト金属電極３２の開口、及び露出した傾斜チャネル３１の開口）。ｐ型オーミックコンタクトタキシ層１６のフォトレジストパターンの開口は傾斜チャネル３１の開口よりもやや大きくする。次いで、アルミニウム、もしくは金から選択されるボンディング金属層をフォトレジスト上に形成し、且つフォトレジストパターンの開口を充填し、ｐ型オーミックコンタクト金属電極２８と接続し、ｎ型オーミックコンタクト金属電極３２上に形成して、更にフォトレジスト上のボンディング金属層とフォトレジストパターンとを除去する。よって、図３Ａ、図３Ｂに開示するように高い熱伝導特性を有する基板上の同一端にそれぞれ金属ボンディング電極３４を有する発光ダイオードの構造が形成される。
次に、ダイシングを行う。即ち化学エッチング、もしくはイオンエッチングを行い、それぞれの結晶粒間の金属を分割する。更に、例えば酸化アルミ（Al2O3）、二酸化ケイ素（SiO2）、窒化ケイ素（SiNx）などの誘電材を用いるか、もしくはスピン塗布したガラス（SOG）、シリコン樹脂（Silicone）、BCB（B-staged bisbenzo cyclo-butene）、エポキシ樹脂（Epoxy）、ポリイミド（Polyimide）などによる誘電保護層３６を被エッチング領域に充填し、更に金属線３８で第一結晶粒の第一オーミックコンタクト金属電極と、第二結晶粒の第二オーミックコンタクト金属電極とを接続し、図５Ａに開示するように直列された結晶粒を形成する。図５Ｂに該直列された結晶粒の電気回路を開示する。また、直列以外に並列にするか、もしくは直列と並列とを組み合わせるなど多種の組み合わせを行うことができる。
上述する本発明の構造は金属接着層１４を介して、非導体型保護層１２と、高い熱伝導特性を有する基板１０と、及び表面保護層３０を含む発光ダイオードエピタキシチップとを接着する。よって本発明は以下に述べるように変化させることができる。即ち図４Ａに開示するように上述する実施例の第一段階のエッチング方法によって下被覆層２２を順にエッチングし、金属接着層１４において停止させる。次いで、上述する実施例に述べる方法でボンディング金属層３４と、低オーミックコンタクト金属層３５を形成し、最後に図４Ａ（鏡面保護層３０は導電型）か、もしくは図４Ｂ（鏡面保護層３０は非導電型）に開示するように高い熱伝導特性を有する基板を同一端にそれぞれ金属ボンディング金属電極３４が形成された発光ダイオードの構造を形成する。
次に、上述するようにダイシングを行う。即ち化学エッチングか、もしくはイオンエッチングによって隣接するそれぞれの結晶粒間の金属を分割し、更に誘電保護層３６を被エッチング領域に充填して、隣接する結晶粒の側壁を保護する。最後にリフトオフ（lift off）技術で金属層を形成し、第一結晶粒の第一オーミックコンタクト金属電極と、第二結晶粒の第二オーミックコンタクト金属電極とを接続して、直列された結晶粒を構成する。その電気回路を図５Ｂに開示する。
本発明は高輝度のアルミガリウムインジウムリン発光ダイオードに限ることなく、例えばアルミニウムガリウムヒ素赤色、赤外線発光ダイオードなどのその他発光ダイオード材に適応することができる。
以上は本発明の好ましい実施例であって、本発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、本発明の精神の下においてなされ、本発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の範囲に属するものである。
２ 基板オーミックコンタクト電極層
３ 基板
４ 下被覆層
５ 活性層
６ 上被覆層
７ 電流分散層
８ エピタキシオーミックコンタクト金属電極
９ 金属ボンディング電極
１０ 基板
１２ 非導体型保護層
１４ 金属接着層
１６ ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層
１８ ｐ型(AlxGa１-x)0.5 In0.5P の上被覆層
２０ ＡｌＧａＩｎＰ活性層（Active Layer）
２２ ｎ型(AlxGa１-x)0.5 In0.5P の下被覆層
２４ エッチングストップ層
２６ ｎ型ＧａＡｓ基板
２８ ｐ型オーミックコンタクト金属電極
３０ 鏡面保護層
３０Ａ チャネル
３１ 傾斜チャネル
３２ ｎ型オーミックコンタクト金属電極
３４ 金属ボンディング電極
３６ 誘電保護層
３ 基板
４ 下被覆層
５ 活性層
６ 上被覆層
７ 電流分散層
８ エピタキシオーミックコンタクト金属電極
９ 金属ボンディング電極
１０ 基板
１２ 非導体型保護層
１４ 金属接着層
１６ ｐ型オーミックコンタクト・エピタキシ層
１８ ｐ型(AlxGa１-x)0.5 In0.5P の上被覆層
２０ ＡｌＧａＩｎＰ活性層（Active Layer）
２２ ｎ型(AlxGa１-x)0.5 In0.5P の下被覆層
２４ エッチングストップ層
２６ ｎ型ＧａＡｓ基板
２８ ｐ型オーミックコンタクト金属電極
３０ 鏡面保護層
３０Ａ チャネル
３１ 傾斜チャネル
３２ ｎ型オーミックコンタクト金属電極
３４ 金属ボンディング電極
３６ 誘電保護層
Claims (4)
- 第一発光ダイオード素子と、誘電保護層を介して該第一発光ダイオード素子と隔てられる第二発光ダイオード素子と、該誘電保護層の上に形成されて該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子の極性の異なる電極を連結して直列構造を形成するボンディング金属層とを含み、且つ直列構造の発光ダイオードであって、
該第一発光ダイオード素子と、該第二発光ダイオード素子は同様の構造を有する発光ダイオード素子であって、それぞれ下から上へ高導熱基板と、非導体型保護層と、金属接着層と、鏡面保護層と、オーミックコンタクトエピタキシ層と、上被覆層と、活性層と、下被覆層とを形成してなり、第一オーミックコンタクト金属電極を該鏡面保護層と該オーミックコンタクトエピタキシ層との接合面上に形成し、且つ該鏡面保護層内に延伸させ、第二オーミックコンタクト金属電極を該下被覆層上に形成し、
該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子はそれぞれ同一端縁部に第一溝を形成して該オーミックコンタクトエピタキシ層を露出させ、該第一溝は、更に該第一オーミックコンタクト金属電極を露出させる電極連結チャネルと、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる仕切り溝とを含み、該極性の異なる電極の内の一つの電極は、該電極連結チャネルにおいて該第一オーミックコンタクト金属電極及び該ボンディング金属層と電気的に接続され、該仕切り溝は該非導体型保護層に達するまでの深さに形成され、
該誘電保護層は、該第一発光ダイオード素子と該第二発光ダイオード素子とを隔てる該仕切り溝に充填するとともに、該第二発光ダイオード素子の該第一ダイオード素子に隣接する側壁上に形成されることを特徴とする直列に配置した発光ダイオード。 - 前記鏡面保護層が、酸化インジウムスズ（Indium tin oxide）、酸化インジウム（Indium oxide）、酸化スズ（Tin oxide）、酸化亜鉛（Zinc oxide）、酸化マグネシウム（Magnesium oxide）、酸化アルミニウム（Al2O3）、二酸化ケイ素（SiO2）、または窒化ケイ素（SiNx）、スピン塗布したガラス、シリコン樹脂（Silicone）、BCB（B-staged bisbenzo cyclo-butene）、エポキシ樹脂（Epoxy）、ポリイミド（Polyimide）、またはこれらを混合してなる組成グループのうちから選択され、
該高導熱基板がＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、ケイ素（Ｓｉ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはその組み合わせから選択され、
該金属接着層の材質がＩｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属から選択され、且つ該金属ボンディング電極の最外層がＡｌ、またはＡｕであることを特徴とする請求項１に記載の直列した発光ダイオード。 - 該鏡面保護層が非導体型の鏡面保護層である場合、該鏡面保護層が少なくとも一以上のチャネルを含み、該金属接着層が該チャネルを介して該第一オーミックコンタクト電極層に連結することを特徴とする請求項２に記載の直列した発光ダイオード。
- 直列された発光ダイオードの製造方法であって、少なくとも、
仮の基板を提供するステップと、
該仮の基板上にエッチングストップ層と、下被覆層と活性層と上被覆層とを含むエピタキシ多重構造とを順に形成するステップと、
オーミックコンタクトエピタキシ層を該上被覆層上に形成するステップと、
第一オーミックコンタクト金属電極を該オーミックコンタクトエピタキシ層上に形成するステップと、
該オーミックコンタクトエピタキシ層上に鏡面保護層を形成し、且つ該第一オーミックコンタクト金属電極を被覆するステップと、
高導熱基板を提供するステップと、
該高導熱基板上に非導体型保護層を形成するステップと、
金属接着層を該非導体型保護層上に提供して該高導熱基板と該鏡面保護層とを接着するステップと、
該仮の基板と該エッチングストップ層とを除去するステップと、
マイクロフォト技術及びエッチング技術によって、該高導熱基板と該鏡面保護層とを接着した構造体の該下被覆層から該オーミックコンタクトエピタキシ層に到るまでエッチングし、二つの隣接する第一発光ダイオードと第二発光ダイオードにおける同一端縁部の位置にそれぞれ第一チャネルを形成するステップと、
マイクロフォト技術及びエッチング技術によって、該二つの第一チャネルの下に位置する該オーミックコンタクトエピタキシ層をエッチングして二つの第二チャネルを形成し、該第一オーミックコンタクト金属電極を露出するステップと、
該二つの隣接する第一発光ダイオードと第二発光ダイオードが存在する位置における下被覆層上に第二オーミックコンタクト金属電極を形成するステップと、
該二つの第二オーミックコンタクト金属電極及び該二つの第二チャネル内の該第一オーミックコンタクト金属電極の上に４つの金属ボンディング電極を形成するステップと、
該第一チャネルのうちの該第二発光ダイオードの側壁と隣接する一端縁部に仕切り溝を該非導体型保護層に達するまでの深さに形成して、該隣接する二つの発光ダイオードを隔離するステップと、
誘電体層を該仕切り溝に充填し、該第二発光ダイオードの該第一発光ダイオードに隣接する側壁上に誘電体層を形成するステップと、
該誘電体層上にボンディング金属層を形成して、該第一発光ダイオードの第一オーミックコンタクト金属電極の上の該金属ボンディング電極と該第二発光ダイオードの第二オーミックコンタクト金属電極の上の該金属ボンディング電極とを直列するステップと、を含むことを特徴とする直列構造の発光ダイオードの製造方法。
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