JP5722844B2 - 発光デバイス及びその作製方法 - Google Patents
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Description
（参照による取り込み）
本出願は、その開示の全体が記述されているかのように参照として本明細書に組み込まれている、２００３年４月３０日に出願した米国仮特許出願第６０／４６６６１７号明細書の特典及び優先権を主張するものである。
本出願は、その開示の全体が記述されているかのように参照として本明細書に組み込まれている、２００３年４月３０日に出願した米国仮特許出願第６０／４６６６１７号明細書の特典及び優先権を主張するものである。
本発明は、発光デバイス及びその作製方法に関し、より詳細には、活性領域を備え、両面に結合された電気的コンタクトを有する発光デバイス及びその作製方法に関する。特に、マイクロ電子デバイス及びその作製方法に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、民生用及び商業用の応用例に広く使用されている。当業者にはよく知られているように、発光ダイオードは、一般に、マイクロ電子基板上にダイオード領域を備えている。マイクロ電子基板は、例えば、ヒ化ガリウム，リン化ガリウム、それらの合金，炭化ケイ素及び／又はサファイアからなる。ＬＥＤの開発を続けた結果、可視スペクトル及びその先までカバーでき、高効率で機械的に頑丈な光源がもたらされた。これらの特質が、固体素子の潜在的に長い有効寿命と相まって、表示装置への新しい様々な応用を可能にし、ＬＥＤを、十分に確立された白熱ランプ及び蛍光ランプと競える立場に置くことができる。
図１は、従来のＧａＮベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す概略断面図である。この図１を参照すると、従来のＧａＮベースのＬＥＤ１００は、互いに対向する第１の面１１０ａ及び第２の面１１０ｂを有し、光放射に対して少なくとも部分的に透過性を有するサファイア（Ａｌ２０３）基板１０５を備えている。ｎ型層１１５及びｐ型層１２０を備えたダイオード領域は、第２の面１１０ｂ上に設けられ、ダイオード領域の両端間、例えば、オーミックコンタクト１３０及び１３５の両端間に、電圧を印加すると光放射を放出するように構成されている。
ｎ型層１１５及び／又はｐ型層１２０を備えたダイオード領域は、窒化ガリウムベースの半導体層を備えることができ、窒化インジウムガリウム及び／又は窒化アルミニウムインジウムガリウムなど、その合金の層も備えることができる。窒化ガリウム層の作製については当業者にはよく知られ、文献に記載されている（例えば、特許文献１参照）。この開示は、参照により本明細書に組み込まれている。いくつかの文献に記載されているように（特許文献１，２，３及び４参照）、ｎ型窒化ガリウム層１１５とサファイア基板１０５の間に、例えば、窒化アルミニウムを備えた１つ又は複数のバッファ層を設けてもよい。これらの文献の開示は、参照により本明細書に組み込まれている。ｎ型窒化ガリウム層１１５は、シリコンをドープした窒化ガリウムを備えることができ、ｐ型窒化ガリウム層１２０は、マグネシウムをドープした窒化ガリウムを備えることができる。
一部のＬＥＤでは、ｐ型窒化ガリウム層１２０に対するオーミックコンタクト１３５は、白金，ニッケル，及び／又は，チタン／金を備えている。他のＬＥＤでは、例えば、アルミニウム及び／又は銀を備えた反射オーミックコンタクトを使用することができる。ｎ型窒化ガリウム層１１５に対するオーミックコンタクト１３０は、アルミニウム及び／又はチタンを備えることができる。ｐ型窒化ガリウム及びｎ型窒化ガリウムに対するオーミックコンタクトを形成する他の適切な材料をそれぞれオーミックコンタクト１３５及び１３０に使用することもできる。ｎ型窒化ガリウム層及びｐ型窒化ガリウム層に対するオーミックコンタクトの例は、文献に記載されており（例えば、特許文献５参照）、この開示は、参照により本明細書に組み込まれている。
しかしながら、サファイアのプラットフォームに基づくＬＥＤデバイス（つまり、サファイアのウェハ上に作製されたＬＥＤデバイス）では、一般に、図１に示すダイオード領域側など、チップの同じ面上に設けられた２つのコンタクト（アノード及びカソード）を使用している。これによって、ウェハ上のダイ（ｄｉｅ）の総数が制約されることがある。さらに、上面に２つのコンタクトを使用すると、２つのワイヤボンドが形成されることがあるので、ＬＥＤのアセンブラ（つまり、パッケージング）が影響を受けることがある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、活性領域を備え、両面に結合された電気的コンタクトを有する発光デバイス及びその作製方法を提供することにある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、活性領域を備え、両面に結合された電気的コンタクトを有する発光デバイス及びその作製方法を提供することにある。
本発明のいくつかの実施形態によれば、発光デバイスは、基板を貫通して対向する第１の面と第２の面の間を延びるコンタクトプラグを有する基板を備えている。第１の面上に活性領域があり、この活性領域上に第１の電気的コンタクトがあり、基板の第２の面に隣接して第２の電気的コンタクトがある。コンタクトプラグは、第２の電気的コンタクトを活性領域に結合する。有利なことに、このような実施形態によって、電気的コンタクトをチップの両側に設けることが可能になり、それによって、ウェハ上に形成することができるデバイスの数を増やすことができる。
特定の実施形態では、オーミックコンタクト層を、第１の面と活性領域の間に設けることができる。この場合、活性領域は、ＴｉＮ，白金，ニッケル／金，酸化ニッケル／金，酸化ニッケル／白金，Ｔｉ，及びチタン／金のうちの少なくとも１つを備えている。オーミックコンタクト層はまた、約１０Å〜約１００Åの厚さでよく、少なくとも部分的に透過性とすることができる。
さらなる実施形態では、基板は、サファイアなどの非導電材料からなり、コンタクトプラグは、金，銀，金合金，及び／又は銀合金などの導電材料からなっている。また、第１の電気的コンタクトは、白金，ニッケル，及び／又は，チタン／金からなっている。また、第２の電気的コンタクトは、アルミニウム及び／又はチタンからなっている。
他の実施形態では、第１の基板上に活性領域を形成することによって発光デバイスを形成することができる。第２の基板を提供し、その対向する第１の面及び第２の面の間にビアを形成することができる。次いで、ビア内にコンタクトプラグを形成することができる。活性層を、第１の基板から第２の基板へ移動（ｔｒａｎｓｆｅｒ）することができる。有利なことに、「代理」基板とみなすことのできる第２の基板は、発光デバイス構造からの光取り出しを向上し得る特定の材料特性を有するように選択することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施態様について説明する。
以下の特定の実施形態についての詳細な説明を、添付の図面と併せて読むことで、本発明の他の特徴がより理解しやすくなるであろう。
以下の特定の実施形態についての詳細な説明を、添付の図面と併せて読むことで、本発明の他の特徴がより理解しやすくなるであろう。
本発明は、様々な変更を加え、代替形式をとることもできるが、一例として、図面に特定の実施形態を示し、本明細書で詳細に説明する。しかし、開示する特定の形式に本発明を限定する意図はなく、本発明は、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲に含まれる変更形態、同等物及び代替物を全て包含することを理解されたい。図の説明を通して、同様の構成要素には同様の番号を付してある。図では、層及び領域の寸法は、理解しやすいように誇張してある。本明細書に記載する各実施形態は、その相補的な導電型の実施形態も含んでいる。
層、領域又は基板などの要素が別の要素の「上に」あると言うときは、その要素は、他の要素上に直接設けることもでき、また介在するいくつかの要素が存在してもよいことが理解されよう。表面など、要素の部分が「内側」と言うときは、その部分は、その要素の他の部分よりも、デバイスの外側から遠くにあることが理解されよう。さらに、「下に」又は「の上に重なる」などの相対的な用語は、本明細書では、図に示すように、基板又はベース層を基準として、１つの層又は領域の、別の層又は領域に対する関係を説明するのに使用することがある。こうした言葉は、図に描いた向きに加え、デバイスの他の異なる向きも含むように意図されていることが理解されよう。最後に、「直接に」という言葉は、介入する要素がないことを意味する。本明細書では、「及び／又は」という言葉は、列挙され関連する１つ又は複数の項目の組合せを全て含んでいる。
第１や第２などの言葉は、本明細書では、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は区画を記述するのに使用することがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は区画は、こうした言葉によって限定されることはない。こうした言葉は、１つの要素、構成要素、領域、層、又は区画を、別の領域、層、又は区画から区別するために使用したにすぎない。従って、本発明の教示から逸脱せずに、以下に説明する第１の領域、層、又は区画は、第２の領域、層、又は区画と呼ぶこともでき、第２についても同様である。
以下に、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）ベースの基板などの非導電性基板上に設けられたＧａＮベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、本発明のいくつかの実施形態について全般的に説明する。ただし、本発明は、このような構造のみに限定されるものではない。本発明の実施形態には、導電性基板を含めた他の基板も使用することができる。従って、組合せには、ＧａＰ基板上のＡｌＧａＩｎＰダイオード，ＳｉＣ基板上のＧａＮダイオード，ＳｉＣ基板上のＳｉＣダイオード，サファイア基板上のＳｉＣダイオード，及び／又は、窒化ガリウム，炭化ケイ素，窒化アルミニウム，酸化亜鉛，及び／又は、他の基板上の窒化物ベースのダイオードが含まれている。さらに、本発明は、ダイオード領域を活性領域として使用することのみに限定されるものではない。本発明の一部の実施形態によれば、他のタイプの活性領域も使用することができる。
本発明の実施形態で使用できる発光デバイスの例は、それだけに限らないが、様々な文献に記載されているデバイスを含んでいる（特許文献６〜１２、３、１３、２、１４〜１７及び／又は１８参照）。これらの文献の開示は、参照により本明細書に組み込まれている。他の適切なＬＥＤ及び／又はレーザは、文献に記載されており（特許文献１９及び２０参照）、これらの開示は、全体が示されているかのように参照により本明細書に組み込まれている。さらに、文献に記載されているような（特許文献２１参照）、蛍光物質で被覆したＬＥＤも本発明の実施形態で使用するのに適しているであろう。この文献の開示は、全体が示されているかのように参照により本明細書に組み込まれている。
ＬＥＤ及び／又はレーザは、基板を通して発光が起こるように「フリップチップ」構造で動作するように構成することができる。文献に記載されているように（例えば、特許文献２０参照）、このような実施形態では、デバイスの光出力を向上させるように基板をパターニングすることができる。この文献の開示は、全体が示されているかのように参照により本明細書に組み込まれている。
図２Ａ乃至図２Ｈは、本発明の実施形態による発光デバイス及びその作製方法を説明するための概略断面図である。図２Ａに示すように、例えば、サファイア基板などの基板２０５を用意する。サファイア基板は、一般に、非導電性であるが、上述したように、本発明の他の実施形態によれば、導電性基板も使用することができる。基板２０５は、第１の面２１０ａ及び第２の面２１０ｂを有し、光放射に対して少なくとも部分的に透過性であってよい。第１の面２１０ａ上に、任意選択でオーミックコンタクト層２２０を形成してもよい。本発明の様々な実施形態によれば、オーミックコンタクト層２２０は、ＴｉＮ，白金，ニッケル／金，酸化ニッケル／金，酸化ニッケル／白金，Ｔｉ，チタン／金，及び／又は、これらの合金を含むことができる。本発明の一部の実施形態によれば、オーミックコンタクト層２２０は、厚さが約１０Å〜約１００Åでよく、光放射に対して少なくとも部分的に透過性であってよい。
次に、図２Ｂ及び図２Ｃを参照すると、例えば、ｎ型層２２５及びｐ型層２３０を備えたダイオード領域などの活性領域を、オーミックコンタクト層２２０上にエピタキシャル成長させることができる。ｎ型層２２５及び／又はｐ型層２３０を備えたダイオード領域は、窒化ガリウムベースの半導体層を備えることができ、窒化インジウムガリウム及び／又は窒化アルミニウムインジウムガリウムなど、その合金の層も備えることができる。窒化ガリウム層の作製については、例えば、上述した文献に記載されている（特許文献１参照）。上述した文献に記載されているように（特許文献１，２，３及び４参照）、例えば、窒化アルミニウムを備えた１つ又は複数のバッファ層を、ｎ型窒化ガリウム層２２５と基板２０５の間に設けることができる。ｎ型窒化ガリウム層２２５は、シリコンをドープした窒化ガリウムを備えることができ、ｐ型窒化ガリウム層２３０は、マグネシウムをドープした窒化ガリウムを備えることができる。
次に、図２Ｄを参照すると、ダイオード領域上に第１の電気的コンタクト２３５を形成する。ｐ型窒化ガリウム層２３０に対する第１の電気的コンタクト２３５は、白金，ニッケル，チタン／金，及び／又は、それらの合金を備えることができる。他の実施形態では、例えば、アルミニウム及び／又は銀を含む反射電気的コンタクトを使用することができる。第１の電気的コンタクト２３５には、ｐ型窒化ガリウムに対するオーミックコンタクトを形成する他の適切な材料を使用することができる。ｐ型窒化ガリウム層に対するオーミックコンタクトの例は、例えば、上述した文献に記載されている（特許文献５参照）。
次に、図２Ｅを参照すると、第１の面２１０ａと第２の面２１０ｂの間の基板２０５内にビア（ｖｉａ）を形成する。他の実施形態では、オーミックコンタクト層２２０をエッチストップ層（ｅｔｃｈ ｓｔｏｐ ｌａｙｅｒ）として使用して、基板２０５をエッチングすることによってビアを形成することができる。本発明の他の実施形態によれば、それだけに限らないが、ウェットエッチング，ドライエッチング及びマイクロマシニングを含む多様なエッチング技術を使用することができる。本発明の特定の実施形態では、「シェーディング（ｓｈａｄｉｎｇ）」による光損失が低減されるように、ビアは、第１の電気的コンタクト２３５と実質的に整合（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）させて形成することができる。他の実施形態では、ビアと第１の電気的コンタクト２３５が互いにオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）するようにビアを形成することができる。オフセット構造は、窒化ガリウムベースの層２２５及び２３０上の応力を低減するのに使用することができる。
次に、図２Ｆを参照すると、本発明の一部の実施形態によれば、金，銀，金合金，及び／又は銀合金などの導電材料でビアを、例えば、めっきすることによってコンタクトプラグ２４０をビア内に形成する。
次に、図２Ｇを参照すると、コンタクトプラグ２４０により第２の電気的コンタクト２４５をオーミックコンタクト層２２０に結合するように、第２の電気的コンタクト２４５を第２の面２１０ｂに隣接して形成する。有利なことに、オーミックコンタクト層２２０が比較的広い表面積にわたってｎ型窒化ガリウム層２２５に接触しているので、改良された電流拡散をもたらすことができる。ｎ型窒化ガリウム層２２５に対する第２の電気的コンタクト２４５は、アルミニウム，チタン，及び／又はそれらの合金を備えることができる。第２の電気的コンタクト２４５には、ｎ型窒化ガリウムに対するオーミックコンタクトを形成する他の適切な材料を使用することができる。ｎ型窒化ガリウム層２２５に対するオーミックコンタクトの例は、例えば、上述した文献に記載されている（特許文献５参照）。図２Ｈでは、図２Ｇに示す構造を逆にして、基板２０５の上面にダイオード領域を設けている。
非導電性基板の実施形態に関して上述したが、本発明の他の実施形態によれば、ＳｉＣ基板などの導電性基板も使用することができる。このような実施形態では、高抵抗のＳｉＣ基板を使用して寄生（自由キャリア）吸収を低減することができる。加えて、ｎ型ＳｉＣ基板とｎ型ＧａＮ層の間のヘテロバリアを低くすることによって、順バイアスがかかったダイオードのオフセット電圧を低減することができる。
図３乃至図５は、本発明のいくつかの実施形態による発光デバイスを作製するための例示的操作をフローチャートに示した図である。
まず、図３を参照すると、操作はステップ３００から始まり、そこで第１の基板が用意される。次に、図２Ｂ及び図２Ｃに関して上述したように、ステップ３０５で、第１の基板の表面上にダイオード領域が形成される。次に、図２Ｄに関して上述したように、ステップ３１０で、ダイオード領域上に電気的コンタクトを形成する。
次に、図４を参照すると、まず、ステップ４００から追加の操作が始まり、そこで第２の基板が用意される。追加の操作は、図３の操作と並行して行う。図２Ａに関して上述したように、ステップ４０５で、第２の基板上にオーミックコンタクト／エッチストップ層を形成する。次に、図２Ｅに関して上述したように、ステップ４１０で、例えば、オーミックコンタクト層をエッチストップ層として使用して、第２の基板内にビアを形成する。次に、図２Ｆに関して上述したように、ステップ４１５で、ビアを導電材料で充填してコンタクトプラグを形成する。次に、図２Ｇに関して上述したように、ステップ４２０で、コンタクトプラグ上に電気的コンタクトを形成する。
次に、図５を参照すると、ステップ５００で、ダイオード領域及びその上に配設された電気的コンタクトを、ダイオード領域がオーミックコンタクト上にくるように、第１の基板から第２の基板へ移動する（ｔｒａｎｓｆｅｒ）。有利なことに、「代理」基板とみなすことができる第２の基板は、発光デバイス構造からの光取り出しを向上し得る特定の材料特性を有するように選択する。
ダイオードを活性領域の一例として示す本発明の実施形態について以上に説明してきた。しかし、本発明のいくつかの実施形態によれば、活性領域は、それだけに限らないが、量子井戸，ヘテロ接合，ホモ接合，多層構造，又はこれらの組合せなどを含むことができる。例えば、層２２５及び層２３０は、上述した特許文献に記載されているように実施することができる。さらに、本発明のさらなる実施形態によれば、発光デバイスに、歪み格子層などの追加の層を組み込むこともできる。
詳細な説明は以上のようであるが、本発明の原理から実質的に逸脱せずに、好ましい実施形態に対して様々な変更及び修正を加えることができることに留意されたい。このような変更及び修正は全て、添付の特許請求の範囲に示すように、本発明の範囲内に含まれるものとする。
１００ 従来のＧａＮベースのＬＥＤ
１０５ サファイア（Ａ１２０３）基板
１１５ ｎ型層
１２０ ｐ型層
１３０及び１３５ オーミックコンタクト
２０５ 基板
２２０ オーミックコンタクト層
２２５ ｎ型層
２３０ ｐ型層
２３５ 第１の電気的コンタクト
２４０ コンタクトプラグ
２４５ 第２の電気的コンタクト
１０５ サファイア（Ａ１２０３）基板
１１５ ｎ型層
１２０ ｐ型層
１３０及び１３５ オーミックコンタクト
２０５ 基板
２２０ オーミックコンタクト層
２２５ ｎ型層
２３０ ｐ型層
２３５ 第１の電気的コンタクト
２４０ コンタクトプラグ
２４５ 第２の電気的コンタクト
Claims (12)
- 活性領域と、
前記活性領域の第１の面上の第１の電気的コンタクトと、
前記活性領域の第２の面上の第１の基板と、
前記活性領域の第２の面上のコンタクトプラグであって、金、銀、金合金、及び／又は銀合金を有し、前記第１の基板を通って伸びる前記コンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグ上の第２の電気的コンタクトであって、アルミニウム、チタン、アルミニウム合金、及び／又はチタン合金を有する前記第２の電気的コンタクトと、
を備え、
前記コンタクトプラグは前記第２の電気コンタクトを前記活性領域に接続し、
前記活性領域と前記第１の電気的コンタクトは第２の基板上に形成され、前記第２の基板から前記第１の基板に移動することを特徴とする発光デバイス。 - 前記コンタクトプラグと前記活性領域の前記第２の面の間にオーミックコンタクト層をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記オーミックコンタクト層が、ＴｉＮ、白金、ニッケル／金、酸化ニッケル／金、酸化ニッケル／白金、Ｔｉ、及びチタン／金のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項２に記載の発光デバイス。
- 前記オーミックコンタクト層の厚さが、約１０Å〜約１００Åであることを特徴とする請求項２に記載の発光デバイス。
- 前記オーミックコンタクト層が少なくとも部分的に透過性であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記基板が、サファイアを有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記第１及び前記第２の電気的コンタクトが、互いに整列されていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記第１及び前記第２の電気的コンタクトが、前記第１及び前記第２の面に垂直な方向に対して、互いにオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記活性領域が、前記コンタクトプラグに隣接するｎ型層と、前記第１の電気的コンタクトに隣接するｐ型層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記ｎ型層が、ＧａＮを有することを特徴とする請求項１０に記載の発光デバイス。
- 前記ｐ型層が、ＧａＮを有することを特徴とする請求項１０に記載の発光デバイス。
- 前記第１の電気的コンタクトが、白金、ニッケル、及びチタン／金のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
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