JP5105621B2 - シリコン基板上にInGaAlN膜および発光デバイスを形成する方法 - Google Patents

シリコン基板上にInGaAlN膜および発光デバイスを形成する方法 Download PDF

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Description

(技術分野)
本発明は、半導体材料に関し、より詳細には、シリコン基板上にInGaAlN膜および発光デバイスを形成する方法に関する。
(背景技術)
InGaAl1−x−yN(0<=x<=1、0<=y<=1)は、短波長の発光デバイスを形成するために選択される材料のうちの1つである。近年、世界中の研究者は、多くの新規なInGaAlNベースの発光デバイス、例えば、青色、緑色、および白色の発光ダイオード(LED)、ならびに紫色半導体レーザを開発してきた。これまでのところ、InGaAlNはまた、高性能の電子デバイスを形成するための良好な材料でもある。
既存の技術の中で、サファイア基板およびSiCの基板上にInGaAlN材料を形成する方法が周知である。例えば、特許第2737053号の日本国特許は、サファイア基板上にGaN材料を形成する方法を開示しており;特許文献1の米国特許は、SiC基板上にGaN材料を形成する方法を開示している。これらの一般に利用可能な技術に基づいて、高性能のInGaAlN材料を形成することができる。しかしながら、SiC基板は非常に高価なので、SiC基板を用いてInGaAlNを形成することは、高コストの原因になり得る。サファイアもまた、高価である。さらに、サファイアは、絶縁体であり、加工が難しい。サファイア基板上に形成されたInGaAlNデバイスは、垂直方向の電極構成を有し得ない。結果として、InGaAlNデバイスをサファイア基板上に形成することは、複雑かつ高コストであり得る。成熟した半導体材料であるシリコンは、安価であるばかりではなく、伝導のタイプおよび抵抗性の点で、制御するのが容易である。さらに、シリコンを加工するための技術は、かなり成熟している。シリコンを用いてInGaAlN材料を形成することは、関連するコストを顕著に低減させ得る。しかしながら、シリコンとInGaAlN材料とは、かなりの格子不整合および熱不整合を示す。結果として、シリコン上に形成されたInGaAlN材料は、クラックする傾向があり、高性能の発光デバイスまたは電子デバイスを形成することには使用され得ない。論文(Phys.stat.sol.(a)188,155(2001))は、SiNのパターニングおよびマスキングを基板上に用いる方法を提供しており、クラッキングの量を低減させ得る。論文(Appl.Phys.Lett.78,288(2001))は、横方向に閉じ込められたエピタキシ成長方法を提供しており、溝を形成することによって、応力の解放を改善している。しかしながら、この論文は、クラックのない領域は、(111)シリコン基板上に成長される厚さ0.7μmのGaN材料であり、14.3μmを超過し得ないということを結論として述べている。典型的な発光デバイスは、オーミック電極を形成する必要性から、100×100μmよりも大きなデバイス面積を要求し得る。したがって、公開された出版物によって開示されている方法は、効率的な発光デバイスを形成することには使用され得ない。
米国特許第5,686,738号明細書
(本発明の内容)
本発明の1つの目的は、クラックのないInGaAlN膜をシリコン基板上に形成する方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、InGaAlN発光デバイスを形成する方法を提供することである。
本発明のこれらおよびその他の目的は、以下の詳細な説明において記載される。
本発明にしたがう、InGaAlN(InGaAl1−x−yN、0<=x<=1、0<=y<=1)膜をシリコン基板上に形成する方法は、以下のステップ:
A.シリコン基板の表面上に溝およびメサ(mesa)を含むパターンを形成するステップ;
B.InGaAlN膜をシリコン基板の表面上に堆積するステップ;
を包含し、上記溝の深さは、6μm以上であり、溝の2つの側の2つのメサに成長されたInGaAlN膜は、分離している。
さらに、本発明における、(111)シリコン基板上にInGaAlN膜を形成する1つの方法にしたがうと、溝の深さは、6〜300μmであり、好適には、10〜30μmである。溝の幅は、溝の2つの側の2つのメサに上に、横方向に成長された膜の幅よりも大きい。好適には、溝の幅は、6〜50μmである。溝の深さは、膜の厚さの2倍よりも大きくあり得る。基板上において、溝は線として現われ得、クロスハッチパターンを示し得る。溝は、互いに交差または結合して交差パターンを示したり、あるいは互いに交差し合わなかったりし得る。
本発明における、基板のパターンでシリコン基板上にInGaAlN膜を形成する1つの方法にしたがうと、分離した独立なメサの面積に対する周長の比は、1mm/mmよりも大きく、40mm/mm未満であり、好適には4mm/mmよりも大きく、20mm/mm未満である。上記パターンは、円形、三角形、長方形、正方形、多角形、またはその他の不規則的なパターンを含み得る。上記メサの面積は、100×100μmよりも大きく、3000×3000μm未満であり、好適には200×200μmよりも大きく、1000×1000μm未満であり得る。
本発明にしたがう、InGaAlN(InGaAl1−x−yN、0<=x<=1、0<=y<=1)発光デバイスを形成する1つの方法は、InGaAlN膜を形成する上述の方法を包含する。さらに、上記発光デバイスを形成する方法は、上記InGaAlN膜の表面上または裏側にP型およびN型の電極を形成して、その後、溝に沿ってダイシングすることをも含み、これにより、各メサがそれぞれの発光デバイスを形成することを可能にする。
本発明において、複数の発光デバイスは、同時および独立的に同じシリコン基板上に形成され得る。
本発明にしたがう、InGaAlN(InGaAl1−x−yN、0<=x<=1、0<=y<=1)発光デバイスをシリコン基板上に形成する方法は、以下のステップ:
A.6μm以上の深さの溝をシリコン基板の表面上に形成し、これにより、上記基板の表面をメサの個数に分割するステップであって、その面積は、100×100μmよりも大きく、3000×3000μm未満である、ステップ;
B.多層InGaAlN膜をシリコン基板上の表面上に堆積するステップ;
C.上記InGaAlN膜の表面上または基板の裏側にP型およびN型の電極を形成するステップ;
D.上記溝に沿ってダイシングし、各メサがそれぞれの発光デバイスを形成することを可能にするステップ
を包含する。
本発明の方法を用いると、単に基板を前処理することによって、高性能で、クラックのない、面積の大きなInGaAlN膜を形成することができる。これにより、高性能の発光デバイスの大量生産が容易になる。
本発明において、シリコンとInGaAlN材料との間には、かなりの格子不整合および熱不整合があるので、大きなシリコン基板上に形成されたInGaAlN材料は、InGaAlN材料が特定の厚さに達した後に、蓄積された応力が原因で、クラックし得る。本発明は、かなりの密度、深さ、および幅で、基板上に多数の溝を形成することにより、InGaAlN膜に加えられる応力を低減させる。基板の表面は複数のセクションに分割されるので、各セクションにおいて成長されるInGaAlN材料は、互いに空間を空けて分離される。結果として、解放される表面が増大し、応力が低減される。一方、溝は、InGaAlNエピタキシャル膜と基板との間の応力の分布を変化させるためには、かなり深くなければならない。溝が十分深いとき、シリコンのメサは、より大きな応力を受け得るが、これは、メサ上に成長されたInGaAlN膜に加えられる応力を低減させ、膜がクラックすることを防止し得る。LEDに対するInGaAlN膜の厚さは、典型的には3μmよりも大きいので、本発明の方法は、溝の厚さが6μmよりも大きいことを要求する。
本発明において、基板上の溝は、線として現われ、異なるパターンを形成し得る。理想的には、これらの溝は、応力を低減させ、発光材料を使いやすいものにし得る。溝は、互いに交差または結合し得る。これらは、円形、三角形、長方形、正方形、多角形、またはその他の不規則的な形状を形成し得る。溝は、放射状のパターンを形成するか、あるいは溝どうしが互いに交差しないような任意のパターンを形成し得る。一般に、交差している溝は、基板を特定の形状の多数のセクションに分割し得る。上記セクションの形状は、正方形、長方形、または一般的に規則的であると考えられている任意の形状であり得る。一実施形態は、デバイスの形成を容易にするために、正方形の形状を選択する。溝は、成熟した方法、例えば、ドライエッチング、ウェットエッチング、機械的エッチング等を用いることにより、形成され得る。膜は、メサのエッジにおいて、横方向に成長し、メサの外側へと延びる傾向があるので、横方向の成長が原因で、メサに隣接する膜が結合されることを防止するためには、溝の幅は、横方向に成長する膜の厚さよりも大きくなければならない。好適には、溝の幅は、膜の厚さの2倍よりも大きい。応力を効率的に解放するために、溝の個数または長さは、基板の面積に基づいて、変動し得る。本発明においては、任意の独立のメサの面積に対する周長の比が1mm/mmよりも大きくなるように、溝の深さを十分に深く選択しなければならない。しかしながら、発光デバイスに対し、オーミック電極を形成するためには、溝の深さは過度に深くてはならない。一実施形態において、メサの表面積は、100×100μmよりも大きい。
シリコン基板上に成長されるInGaAlN材料は、非常に薄く脆いものであり得るので、デバイスのダイシングの間、InGaAlN材料が成長される上側から基板へと、ダイシングブレードが近づくとき、ダイシングブレードは、InGaAlN膜と接触し、InGaAlN膜を損傷し得る。しかしながら、シリコンは、可視波長範囲において、透過性ではない。したがって、サファイア基板とは異なり、シリコン基板の裏側から基板をダイシングし、クラッキングすることは、困難であり得る。本発明の一実施形態において、デバイスのサイズに対応する、溝を備えたセクションは、InGaAlN材料の形成の前に、基板上に形成される。この方法で、ダイシングブレードは、前形成された溝に沿って移動し得、基板のダイシングを実行し得る。一実施形態において、溝の幅は、ブレードの厚さよりも大きくあり得、このことは、ブレードと溝の壁との間の十分なクリアランス(clearance)を可能にし、膜への損傷を防止するので、完全なデバイスを得ることが可能になる。本発明にしたがうと、デバイスの電極は、基板の同じ側に配置されるか、あるいは垂直の構成で配置され得る。本発明の方法にしたがうと、形成されたInGaAlN材料はまた、発光デバイスの形成の前に、別のシリコン基板、または別の材料に基づく基板の上にトランスファ(transfer)され得る。
複数の図面において、同じラベルおよび関連するオブジェクトは、同じ意味を有している。特に、ラベル「1」はメサを示し、ラベル「2」および「2’」は溝を示し、ラベル「3」はInGaAlN膜を示し、ラベル「4」はP型電極を示し、ラベル「5」はダイシングされた溝を示し、ラベル「6」はN型電極を示している。
本発明に含まれる機器は、産業界において一般的に使用されているものなので、本開示では、詳細には記載されない。
本発明は、本発明の様々な特徴またはコンポーネントを実施することを容易にするために、様々な実施形態を用いて示されており、具体例によって詳細に記載されている。しかしながら、本発明の用途を、示されている詳細な記述に制限することは、発明者の意図するところではない。本発明の特徴またはコンポーネントに関する改変が、本発明の精神から逸れることなしに、請求の範囲の範囲内でなされ得る。
(実施形態の例)
実施形態1:
図1に示されているパターンは、通常のフォトリソグラフィ技術およびプラズマエッチング技術を用いることにより、(111)シリコン基板上にエッチングされる。図1における正方形のセクション1は、エッチングされていないメサである。溝2は、エッチングの結果である。図2は、そのようなメサおよび溝の構造を、より明確に示している。この実施形態において、2つの隣接する正方形のセクションの中心の間の距離は、100μmである。溝の幅は6μmであり、溝の深さは6μmである。その後、パターニングされた基板は、シリコン基板に対して周知なクリーニング技術を用いることにより、クリーニングされ得る。その後、パターニングされた基板は、反応チャンバ内に配置される。発光デバイスによって要求されるInGaAlN多層構造は、バッファ層、N型層、発光層、およびP型層を含んでおり、上記多層構造は、基板の表面上に堆積される。多層InGaAlN膜3は、4μmの全厚を有している。堆積の後、基板の断面は、図3に示されているような構造を有する。図2および図3を比較すると、InGaAlN材料が溝およびメサの両方の上に堆積されたことが、見て取れる。溝の深さは膜の厚さよりも大きいので、溝の内側で成長した膜は、メサで成長した膜から分離され得る。さらに、膜はまた、メサのエッジにおいて、外側に向けて横方向に成長し得る。溝は、十分広いので、隣接するメサの上で横方向に成長された膜は、分離したままであり得る。全てのメサの上で成長された膜は、互いに独立しているので、応力が解放され、メサの上にはクラックが生じ得ない。膜の成長が完了した後、P型電極4が、それぞれのメサの上に形成され得る。N型電極6は、基板の裏側の対応するセクションに形成され得る。次に、基板は溝2に沿ってダイシングされ、図6に示されているように、個別のデバイスが得られる。図7は、ウェハのダイシング後のデバイスの構造をさらに示している。
実施形態2:
図1に示されているパターンは、通常のフォトリソグラフィ技術およびプラズマエッチング技術を用いることにより、(111)シリコン基板上にエッチングされる。図1における正方形のセクション1は、エッチングされていないメサである。溝2は、エッチングの結果である。溝がエッチングされた後の基板の断面構造は、図2に示されている。この実施形態において、2つの隣接する正方形のセクションの中心の間の距離は、3000μmである。溝の幅は50μmであり、溝の深さは200μmである。その後、パターニングされた基板は、シリコン基板に対して周知なクリーニング技術を用いることにより、クリーニングされ得る。その後、パターニングされた基板は、反応チャンバ内に配置される。発光デバイスによって要求されるInGaAlN多層構造は、バッファ層、N型層、発光層、およびP型層を含んでおり、上記多層構造は、基板の表面上に堆積される。多層InGaAlN膜3は、4μmの全厚を有している。堆積の後、基板は、図3に示されているような断面構造を有する。フォトリソグラフィ技術およびICPエッチング技術を用いることにより、エッチングメサ上の小さな領域がエッチングされ、その結果、InGaAlN多層構造3のN型層は、この領域において露出される。N型電極6は、露出されたN型層の上に形成される。P型電極は、メサのエッチングされていない側(P型層)の上に形成される。その後、基板は溝2に沿ってダイシングされ、分離したデバイスチップが得られる。
実施形態3:
図面を参照すると、図4に示されている三角形のパターンは、通常のフォトリソグラフィ技術およびプラズマエッチング技術を用いることにより、(111)シリコン基板上にエッチングされる。図4におけるセクション1は、エッチングされていないメサである。溝2は、エッチングの結果である。この実施形態において、三角形の各側は、300μmである。溝の幅は20μmであり、溝の深さは20μmである。その後、パターニングされた基板は、シリコン基板に対して周知なクリーニング技術を用いることにより、クリーニングされる。その後、パターニングされた基板は、反応チャンバ内に配置される。発光デバイスによって要求されるInGaAlN多層構造は、バッファ層、N型層、発光層、およびP型層を含んでおり、上記多層構造は、基板の表面上に堆積される。多層InGaAlN膜3は、4μmの全厚を有している。膜が成長された後、P型電極4が、各メサの上に形成される。N型電極6は、基板の裏側の対応するセクションに形成される。基板は、溝2に沿ってダイシングされ、分離したデバイスチップが得られる。
実施形態4:
図面を参照すると、図5に示されているパターンは、通常のフォトリソグラフィ技術およびプラズマエッチング技術を用いることにより、(111)シリコン基板上にエッチングされる。セクション1は、エッチングされていないメサである。領域2および領域2’は、エッチングされた溝領域である。溝2は、互いに直交しており、溝2’のうちの1つと溝2のうちの1つとは、45°の角度をなしている。溝2は、表面を正方形のセクションに分割し、正方形のセクションの各側は、4000μmである。溝2’は、溝を更なる部分に分割する。単一の溝2’の長さは、1500μmである。パターニングされた基板は、シリコン基板に対して周知なクリーニング技術を用いることにより、クリーニングされる。その後、パターニングされた基板は、反応チャンバ内に配置される。発光デバイスによって要求されるInGaAlN多層構造は、バッファ層、N型層、発光層、およびPが多層を含んでおり、上記多層構造は、基板の表面上に堆積される。多層InGaAlN膜3は、3μmの全厚を有している。膜が成長された後、P型電極が、各メサの上に形成される。N型電極6は、基板の裏側の対応する各セクションに形成される。基板は、溝2に沿ってダイシングされ、分離したデバイスチップが得られる。
実施形態5:
図1に示されているパターンは、通常のフォトリソグラフィ技術およびプラズマエッチング技術を用いることにより、(111)シリコン基板上にエッチングされる。長方形のセクション1は、エッチングされていないメサである。領域は、エッチングされた溝領域である。溝がエッチングされた後の基板の断面構造は、図2に示されている。この実施形態において、各セクションは、500×400μmの寸法を有する長方形である。溝の幅は30μmであり、溝の深さは300μmである。パターニングされた基板は、シリコン基板に対して周知なクリーニング技術を用いることにより、クリーニングされる。その後、パターニングされた基板は、反応チャンバ内に配置される。発光デバイスによって要求されるInGaAlN多層構造は、バッファ層、N型層、発光層、およびP型層を含んでおり、上記多層構造は、基板の表面上に堆積される。多層InGaAlN膜3は、6μmの全厚を有している。堆積の後、基板は、図3に示されているような断面構造を有する。フォトリソグラフィおよびICPエッチングを用いることにより、エッチングメサ上の小さな領域がエッチングされ、その結果、InGaAlN多層構造3のN型層は、この領域において露出される。N型電極6は、露出されたN型層の上に形成される。P型電極は、メサのエッチングされていない側(P型層)の上に形成される。その後、基板は、溝2に沿ってダイシングされ、分離したデバイスチップが得られる。
図1は、溝を用いてエッチングされた基板の表面の一部分を示している。 図2は、図1に示された基板のA−A方向の断面図を示している。 図3は、シリコン基板の断面図を示しており、上記シリコン基板上では、InGaAlN膜が成長されている。 図4は、本発明の一実施形態にしたがう、エッチングされた溝を有する基板の表面を示している。 図5は、本発明のさらなる実施形態にしたがう、エッチングされた溝を有する基板の表面を示している。 図6は、図1および図3に示された基板を用いて形成されたダイシング後のデバイスを示しており、電極が形成されている。 図7は、図6に示されたデバイスのB−B方向の断面図を示している。

Claims (18)

  1. シリコン基板上にInGaAlN薄膜を製造する方法であって、
    該方法は、
    該シリコン基板の上に溝をエッチングすることによって、所定の形状のメサを有するパターンを生成することと、
    該シリコン基板の上にInGaAlN半導体材料を堆積することと、
    メサの上にクラックのないInGaAlN構造を取得することと
    を包含し、
    溝は、10μm以上かつ30μm以下の深さを有し、
    2つの隣接したメサの上のInGaAlN構造は、分離しており、
    該溝は、第1のセットの溝と、第2のセットの溝とを含み、該第1のセットの溝は、連続的であり、かつ、正方形のグリッドパターンを形成するように互いに直交するように配置されており、該第2のセットの溝は、連続的ではなく、かつ、該第1のセットの溝と45°の角度で配置される、方法。
  2. 前記溝の幅は、前記2つの隣接したメサの上に横方向に成長した薄膜の全厚よりも大きい、請求項1に記載の方法。
  3. 前記溝の幅は、前記2つの隣接したメサの上に横方向に成長した薄膜の全厚の少なくとも2倍である、請求項2に記載の方法。
  4. 前記溝の幅は、6μm以上かつ50μm以下である、請求項1に記載の方法。
  5. メサの面積に対する周長の比は、1mm−1以上かつ40mm−1以下である、請求項1に記載の方法。
  6. メサの面積に対する周長の比は、4mm−1以上かつ20mm−1以下である、請求項5に記載の方法。
  7. 前記メサの面積は、100×100μm以上かつ3000×3000μm以下である、請求項1に記載の方法。
  8. 前記メサの面積は、200×200μm以上かつ1000×1000μm以下である、請求項に記載の方法。
  9. 前記InGaAlN構造の上に電極を製造することと、
    前記基板をダイシングすることによって、該InGaAlN構造を分離することと
    をさらに包含する、請求項1に記載の方法。
  10. シリコン基板の上にInGaAlN薄膜を製造する方法によって製作されるInGaAlN発光デバイスであって、
    該方法は、
    該シリコン基板の上に溝をエッチングすることによって、所定の形状のメサを有するパターンを生成することと、
    該シリコン基板の上にInGaAlN半導体材料を堆積することと、
    メサの上にクラックのないInGaAlN構造を取得することと
    を包含し、
    溝は、10μm以上かつ30μm以下の深さを有し、
    2つの隣接したメサの上のInGaAlN構造は、分離しており、
    該溝は、第1のセットの溝と、第2のセットの溝とを含み、該第1のセットの溝は、連続的であり、かつ、正方形のグリッドパターンを形成するように互いに直交するように配置されており、該第2のセットの溝は、連続的ではなく、かつ、該第1のセットの溝と45°の角度で配置される、InGaAlN発光デバイス。
  11. 前記溝の幅は、前記2つの隣接したメサの上に横方向に成長した薄膜の全厚よりも大きい、請求項10に記載のInGaAlN発光デバイス。
  12. 前記溝の幅は、前記2つの隣接したメサの上に横方向に成長した薄膜の全厚の少なくとも2倍である、請求項11に記載のInGaAlN発光デバイス。
  13. 前記溝の幅は、6μm以上かつ50μm以下である、請求項10に記載のInGaAlN発光デバイス。
  14. メサの面積に対する周長の比は、1mm−1以上かつ40mm−1以下である、請求項10に記載のInGaAlN発光デバイス。
  15. メサの面積に対する周長の比は、4mm−1以上かつ20mm−1以下である、請求項14に記載のInGaAlN発光デバイス。
  16. 前記メサの面積は、100×100μm以上かつ3000×3000μm以下である、請求項10に記載のInGaAlN発光デバイス。
  17. 前記メサの面積は、200×200μm以上かつ1000×1000μm以下である、請求項16に記載のInGaAlN発光デバイス。
  18. 前記方法は、
    前記InGaAlN構造の上に電極を製造することと、
    前記基板をダイシングすることによって、該InGaAlN構造を分離することと
    をさらに包含する、請求項10に記載のInGaAlN発光デバイス。
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