JP5746439B2 - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

実施形態は、改善された領域を有するＧａＮＬＥＤ及びその製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する、重要な類の固体素子である。これらの素子における改良は、従来の白熱及び蛍光光源を置き換えるように設計された照明器具での使用を生じた。ＬＥＤは、顕著な長寿命と、ある場合には、電気エネルギーを光に変換するための著しい高効率とを有する。

この説明の目的において、ＬＥＤは、３層、２つの他の層の間に挟まれた活性層を有するとみなすことができる。活性層は、外層からの正孔と電子が活性層内で結合するときに光を放射する。正孔及び電子は、ＬＥＤに電流を流すことにより供給される。ある一般的な配置では、ＬＥＤは、最上層を覆う電極、及び電気的接続を最下層に提供するコンタクトから電力供給される。

ＬＥＤのコストは、この新しい技術が従来の光源を置換し、高電力用途で使用される比率を決定する点での重要な要素である。ＬＥＤのコストはある程度、作製されるウェーハからのＬＥＤの歩留まりにより決定される。一般に、ウェーハは多数のＬＥＤを含み、各ＬＥＤはダイシングストリートにより隣接するＬＥＤから分離される。ＬＥＤをウェーハから分離するとき、ダイシングストリート領域にカットを入れ、個別のダイを分離する。ダイシングストリートの大きさは典型的には１００μｍである。この領域は基本的には無駄なスペースである。ＬＥＤがダイシングストリートと比較して大きいならば、ダイシングストリートにより導入される全体のパーセントロスは相対的に小さく、従って許容し得る。あいにく、ストリート寸法：ＬＥＤダイの比は、多くのＬＥＤ用途において著しい。例えば、ダイシングストリートにより導入される１ｍｍダイに固有のロスは、ウェーハ上の領域の２０パーセントロスを生じる。多くの用途で１／２ミリメートルもの小さいダイが要求される。これらの場合には、ロスは更に悪化する。

したがって、ダイシングストリートがより小さいダイシング方式を提供することは有益である。あいにく、機械的切断又はレーザースクライビングに依存するダイシング方式は、５０μｍのオーダーのダイシングストリートに限定される。更には、下地のウェーハのエッチングに依存する方式は、またトレンチ幅：トレンチの深さのアスペクト比が限定的であるので、ウェーハの厚さに限定される。

加えて、ウェーハ上に多数のダイを有するウェーハのダイシングに要する時間は顕著である。加工時間はダイのコストを増加させるので、全部のダイが一度に分離されるダイシング方式が有利である。

本発明は、発光素子及びその製造方法を含む。発光素子は、内部における正孔と電子の結合時に所定の波長の光を放射する、異なる導電形の第１及び第２半導体層の間に挟まれた活性層を備える。ミラー層は、活性層と接触しない第２半導体層の表面と接触し、ミラーは、活性層の表面積と実質的に等しい表面積を有する。この構造は、ミラー層と接触する第１表面を有し、かつミラー層の面積と実質的に等しい面積を有する基板部材に接合される。基板部材は、第１表面から遠位の場所において、第１表面の領域よりも小さい断面積を有する。基板部材は、導電性であり、かつ素子に電力供給するための１つの電力端子、並びに、活性層並びに第１及び第２半導体層から熱を除去するための良好な熱伝導性経路を提供することができる。

素子は、異なる導電形の第１及び第２半導体層の間に挟まれた活性層を備える発光層を、第１基板上にエピタキシャル成長させることにより作製される。活性層は、内部における正孔と電子の結合時に所定の波長の光を放射する。反射層は半導体層の一方の露出表面の表面上に堆積される。反射層は第２基板の第１表面に接合される。次いで、第１基板は除去されて、第２基板に接合された残存する構造を残す。第１トレンチが、この構造に切り込まれる。第２トレンチが、この構造体に接合されない表面から第２基板に切り込まれる。２つのトレンチの組合せによって、発光素子を有するダイの分離が可能となる。

キャリアの、個別のＬＥＤ光源への分割に使用される操作の前のマルチ−ＬＥＤキャリアの断面図である。 第１トレンチが個別のダイを単体化するプロセスで形成された後のキャリアの図である。 第２トレンチが個別のダイを単体化するプロセスで形成された後のキャリアの図である。 本発明により光源を作製するための加工プロセスである。 本発明により光源を作製するための加工プロセスである。 本発明により光源を作製するための加工プロセスである。 本発明により光源を作製するための加工プロセスである。 本発明による光源の別の実施形態である。 本発明による光源の別の実施形態である。 誘電体層を使用して、ミラーの反射率を改善する前駆体キャリアの一部分の断面図である。

本発明がその利点を提供する方法は、マルチ−ＬＥＤキャリア２０の一部分の断面図である、図１〜３を参照することにより、より容易に理解可能である。図１は、キャリア２０を個別のＬＥＤ光源へ分割する作業前のマルチ−ＬＥＤキャリア２０の断面図である。図中に示すキャリア２０の部分は、２つのＬＥＤ光源３５及び３６を備えるが、実際の製造ウェーハは数百又は数千のダイを有するということが理解されるべきである。ＬＥＤ光源は、２１で示される層の窒化ガリウム構造及び金属層から構成される。構造２１は、ｎ−ＧａＮ層２２、活性層２３、及びｐ−ＧａＮ層２４を備える。個別のＬＥＤ光源は、コンタクト３３と導電性基板２９との間に適切な電位差を印加することにより、電力供給される。活性層２３で発生する光は、３４に示される粗化表面から素子を出射する。高反射金属層２５は、下方に進む光を反射して表面３４に７向けて戻すミラーを形成する。ここで、用語ＧａＮ層は、ＡｌＧａＩｎＮ材料の合金系一般を指すのに使用される。２１に示す３つ半導体層は、以下の説明では「ＬＥＤ層」と呼ばれる。

図１に示す実施形態は上述の３つの層を使用しているが、これらの層の各々が複数の副層を備えてもよいということは理解されるべきである。説明を簡単化するために、これらの副層は、本発明の理解に重要ではないため省略されている。

構造２１は、その上面の上に絶縁層２７を有する、導電性基板２９に接合される。この実施形態では、接合は共晶金属層２６により提供される。導電性金属を充填したビア３０は、基板２９と共晶金属層２６との間の電気的接続を提供する。共晶金属層２６は、光源がキャリア２０から最終的に分離される、光源の各々の間の間隙３２を備える。絶縁パッド３１はこの間隙の上部を占める。

個別の光源は、キャリア２０を個別のダイに分割することにより作られるので、以下の説明ではキャリア２０を前駆体キャリアと呼ぶ。キャリア２０は、２段プロセスで個別の光源に分割される。ここで図２を参照する。第１工程を実施した後のキャリア２０が図示されている。第１工程では、狭いトレンチ４１が窒化ガリウム層、金属層２５を備えたＬＥＤ層及びパッド３１を通ってエッチングされる。トレンチ４１は、各ＬＥＤ光源の発光領域の最終の大きさを決定する。したがって、トレンチ４１の幅が上述の従来のダイシングストリート幅より狭ければ、単体化プロセスで失われる領域の量は実質的に減少する。

図２は、種々の層の厚さに関して一定の比率で描かれたものでないということが特記される必要がある。具体的には、２１で示す層は、典型的には５μｍのオーダーであり、基板２９は数百マイクロメートルの厚さを有するということが特記される必要がある。トレンチ４１は、好ましくはドライエッチング法を用いて切断される。ＧａＮ層を通り抜けるトレンチ４１の一部分は、ＳｉＯ２層上で停止する、Ｃｌ２系の薬品を用いて切断可能である。次いで、Ｆ２系の薬品に切り替えることにより、ＳｉＯ２層を除去することができる。

トレンチのアスペクト比は、トレンチの深さをトレンチの幅で割ったものとして定義される。ドライエッチング法に対しては、１よりも大きいアスペクト比が達成可能である。したがって、トレンチ４１の幅をＬＥＤ層の厚さ未満とすることができる。例えば、トレンチ４１を１０μｍ未満の幅に保持することができる。本発明のもう一つの態様では、トレンチ４１は５μｍ未満である。したがって、単体化プロセスで失われるＧａＮの面積は、従来のダイシング方法と比較して１桁減少する。

本発明は、基板２９の厚さがはるかに大きいために、同一の幅に限定されるトレンチを掘ることにより、基板２９をセグメント化できないが、一部の過剰な材料を基板２９から除去することは、ＬＥＤ光源により生じる光又は光源の機械的強度に実質的に影響を及ぼさないという観察に基づく。

基板２９の一部分を除去して、個別の光源を前駆体キャリア２０から分離することが図示されている図３を、ここで参照する。初めは、キャリア２０は、しばしばブルーテープと呼ばれる第２キャリア４２に取り付けられている。種々の光源はキャリア２０から分離されたならば、キャリア４２がそれを固定化する。キャリア２０をキャリア４２に取り付けた後、第２トレンチが、４３で示すように基板２９の底面からエッチングされる。基板２９が厚いことにより、基板２９の底面上のこのトレンチの幅は、一般に、それが層２７を通り抜ける点におけるトレンチの幅よりも著しく広い。しかしながら、光源の活性領域から遠いのでこの増加した幅は、困難を引き起こさない。得られる光源は、ＬＥＤ層と、光生成層に近位の第１の幅及び第１の幅よりも狭い光生成層から遠位の第２の幅を有する、基板部材と、を備える光生成層を有するとみなすことができる。

トレンチ４３は、活性層を分離させるのに充分であるように活性層が重なる部分を残さない適切な位置で基板２９を切断することを可能する任意の手段により作製可能である。本発明の一態様では、このトレンチは、基板２９のフォトリソグラフエッチングにより提供される。この方法は、ダイを全部同時に単体化する利点を有する。原理上は、トレンチ４３は、ダイシングソー又はレーザースクライビングを使用して作製可能である。しかしながら、これらの方法は、特に前駆体キャリア２０を極めて多数の小さいダイに分割する場合に、完了するのに実質的に長時間を要する。

本発明の一態様では、層２４はｐ−ＧａＮ層であり、層２２はｎ−ＧａＮ層である。光が出射する層２２の面は粗化されて、光源からの光の取り出しを改善する。表面は、エッチングされるか又はリソグラフィによりパターニングされて、活性層内で発生した光の波長よりも大きいか、又はそのオーダーの寸法を有する散乱形状を提供する。この面はＧａＮ結晶のＮ面である。Ｎ面はｐ−ＧａＮ層が最上部である従来の配置において、エッチングに供されるＧａ面よりも実質的にエッチングが容易であるので、これらの実施形態は、外表面を粗化する場合に追加的な利点をもたらす。

図１で示すものなどの構造を作製するための１つの方法が、本発明による光源を作製するための加工プロセスを図示している図４〜７を参照しながら詳述される。ここで図４を参照する。初めに、多数の層が基板５１上にエピタキシャル成長される。これらの層としては、上述のＬＥＤ層、すなわち、ｎ−ＧａＮバッファ層５２、並びにｎ−ＧａＮ層５５、活性層５６、及びｐ−ＧａＮ層５４からなるＬＥＤ構造５３が挙げられる。最終的に、銀などの高反射性金属の層５７が層５４上に堆積される。その上に引き続いて堆積される層から銀を隔離するために、層５７は、保護層を備えてもよいということが特記される。

ここで図５を参照する。次に、絶縁領域５９により分離される複数の接合パッド５８が、層５７の表面上に作製される。本発明の一態様では、接合パッドは共晶金属を含み、絶縁パッドは、以降の接合操作時に接合パッド材料により濡れない、ＳｉＯ２などの材料から作製される。絶縁パッド５９の厚さは、ＬＥＤ構造５３の厚さと一緒になって、上述の光生成構造の厚さ及び基板部材の幅を決定するということが特記される必要がある。領域５９の厚さを増加することにより、発光構造の強度を増大することができるが、これは、上述のトレンチ４１を形成するために掘らなければならない構造の厚さを増加させる。

ここで図６を参照する。次に、その上に配置された接着パッド６２付きの絶縁性ＳｉＯ２層６３を有する第２基板６１が、ウェーハ５１を覆って配置される。接着パッドは、上述の共晶金属パッドと接合する金属から作製される。本発明の一態様では、基板６１はシリコンウェーハである。本発明の一実施形態では、基板６１は上述の基板部材となる。

ここで図７を参照する。次いで、基板６１は、基板５１上の外層に対して加圧され、２つの基板は加熱されて、共晶金属の基板６１上の接着パッドとの接合が可能となる。次いで、基板５１はエッチング又は研磨により除去される。次いで、ｎ−ＧａＮ層であるバッファ層５２は、上述の散乱表面を提供するために粗化可能であり、最終的に、上述のコンタクトパッドは、図１に示すものに類似の構造に到達するために粗化した層上にパターニングされる。

再び図３を参照する。上述の実施形態では、図３に示すものなどの最終の基板部材は、シリコンから作製したものであった。シリコンは、良好な熱伝導を提供し、従来の作製ラインにおける取り扱いが容易である。シリコンに関する光吸収の問題は、ミラー２５の存在により取り除かれる。シリコンウェーハはいかなる半導体素子も含んでいないので、安価なシリコンウェーハをウェーハに使用することができる。しかしながら、更に良好な熱伝導体を最終の搭載基板として提供することが有利である。

ここで図８を参照する。図５で示すものと類似の加工工程におけるウェーハの一部の断面図である。この実施形態では、好適な金属の厚い層８１が、共晶金属層８２のメッキの前に、ミラー層５７の最上部表面の上にメッキされる。層８１は、良好な熱及び電気伝導性並びに好適な機械的強度を有する、任意の金属から作製可能である。例えば、層８１は銅又はニッケルから加工可能である。層８１の厚さは典型的には１００μｍのオーダーである。層８１は、ウェーハの個別のダイへの最終の分割に使用される底部トレンチの機能を果たす間隙を提供するために、パターニングされる。本発明の一態様では、金属パッドの間の間隙はほぼ５０μｍである。これらの間隙は、図３で示すトレンチ４３に類似である。

次いで、図８で示す構造８０は、基板８５に接合し、成長基板５１を除去した後の構造８０の断面図である図９中に示すように、第２基板８５に接合される。次いで、露出したｎ−層の最上部表面は、８８で示すように粗化され、電気的なコンタクト８７がｎ−層上に形成される。最終的に、トレンチ８６が、ＬＥＤ層から銅金属層の間の間隙まで切り込まれる。次いで個別のダイは、基板８５を除去するために構造を加熱することにより、分離可能である。

基板８５は、種々の材料のいずれでも可であるということが特記される。基板８５は、成長基板が取り除かれる工程及び粗化された表面を提供し、コンタクトが行われる最終の加工工程の間、個別のダイに対するキャリアとして役割を果たすのみである。基板８５と金属パッド８１との間の接合は、これらの工程及びトレンチ８６をもたらす以降のトレンチエッチング工程で遭遇する加工条件に充分に耐えるものでなければならない。再び、従来の加工ラインはこのようなウェーハを取扱うように構成されているので、シリコンウェーハは、キャリア８５の特に魅力的な候補である。必要とされるシリコンウェーハの品質は、種々のＬＥＤ層の成長で使用されるウェーハの品質よりも実質的に低いということが再び特記される必要がある。加えて、分離工程がウェーハを破壊しない限り、シリコンウェーハ８５は、構造の残りからセグメント化された後で、再使用可能であるということが特記される必要がある。

上述の実施形態で、前駆体キャリアは、１つのＬＥＤを備える個別のダイにセグメント化される。しかしながら、前駆体キャリアから分割された光源は、直列、並列、又はその組み合わせで接続された複数のＬＥＤを備えることができる。

本発明の上述の実施形態はＧａＮ系の発光素子を使用するものであった。上述のＧａＮ層は、ＧａＮ材料ファミリーの他の構成員から作製可能であるということが特記される。説明の目的で、ＧａＮ材料ファミリーは、ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮの全化合物であるように定義される。用語ＧａＮは、Ｇａ材料ファミリーの任意の構成員を含むように定義されている。しかしながら、他の材料系及び基板を使用する実施形態も本発明の教示に従って作製可能である。

上述の実施形態は、発光構造を最終の光源中で支持するのに必要とされる機械的強度をもたらす構造への発光構造の接合に共晶金属を使用する。接合材料は、接合温度が素子性能の劣化を引き起こさないように、選択されるべきである。本発明の一態様では、材料は、接合温度が３５０°Ｃ未満であるように選択される。本発明の一態様では、共晶金属は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｌＧｅ、ＡｕＩｎ、又はＳｎＡｇＣｕからなる群から選択される。

上述の実施形態は共晶接合を使用するが、他の接合方法を使用することができる。例えば、各構造が同一の形の金属表面を含む熱圧着を用いて、構造を接合することができる。Ａｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ｃｕ、又は他の金属を用いる基板の圧縮接合が当分野に既知である。

上述の実施形態では、ミラー層は、発光構造のｐ−ＧａＮ表面上で直接堆積される。そのようなものとして、ミラーは、ミラー及びｐ−ＧａＮ材料の高電気抵抗を補償する電流拡散層の両方として機能する。好ましいミラー層材料は銀である。下地のｐ−ＧａＮ材料の表面の粗さが過大ならば、銀層の反射率は、表面プラズモン効果により実質的に低下する。したがって、一部の実施形態では、ｐ−ＧａＮ表面と銀層との間の遷移層を設けることが有用であることがある。遷移層は、正しく堆積される場合には、その表面上に堆積される銀層が、９０パーセント超の反射率を有するということを確保するのに充分平滑である表面を提供する、スピン−オン−ガラスなどの誘電体から作製可能である。

あいにく、このような誘電体層は、ミラー層により提供されるｐ−コンタクト機能を妨害する。ｐ−コンタクト機能をもたらすためには、ミラー層をｐ−ＧａＮ層に接続するために、ビアを誘電体層中に作らなければならない。このようなビアの密度は、ｐ−ＧａＮの高抵抗に拘わらず充分な電流拡散をもたらすのに充分である必要がある。あるいは、より低いビア密度が必要とされるような拡散機能を提供するために、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明電導体の層を、最初にｐ−ＧａＮ表面上に堆積することができる。次いで、誘電体層がＩＴＯ層を覆って堆積される。次いで、銀層が誘電体層を覆って堆積され、誘電体層中のビアによりＩＴＯ層に接続される。

ここで図１０を参照する。これは、ミラーの反射率の改善のために誘電体層を使用する、前駆体キャリア９０の一部分の断面図である。キャリア９０は、ｐ−ＧａＮ層９２を備える発光構造９１が新しい基板９６に移転されたという点で図１で示すキャリア２０に類似している。ＩＴＯ層９３は、電流拡散層を提供するために、発光構造内に含まれる。ビア９７を有する誘電体層９４が、ＩＴＯ層９３を覆って堆積される。銀層を含むミラー層９５は、層がビアから延在するように、誘電体層上に堆積されて、ＩＴＯ層９３との接触を行う。

本発明の上述の実施形態は、本発明の種々の態様を例示するために、提供されたものである。しかしながら、異なる具体的な実施形態で示される本発明の異なる態様は、組み合わされて、本発明の他の実施形態を提供することができるということが理解されるべきである。加えて、前出の説明及び添付の図面から本発明の種々の改変が明白になるであろう。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されるものとする。

Claims (16)

1. 第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に設けられた活性層と、
   前記活性層上に設けられ、前記第１半導体層とは異なる導電形を有する第２半導体層と、
   前記第２半導体層上に設けられ、前記活性層の面積と略等しい面積を有するミラー層と、
   前記ミラー層上の端部領域に設けられた絶縁層と、
   前記ミラー層上の前記端部領域を除いた領域に、前記絶縁層と並んで設けられた接合パッドと、
   前記接合パッド上に接合され、前記接合パッドの面積と略等しい面積を有する第１表面を有し、前記第１表面から遠位の場所において、前記第１表面の面積よりも小さい断面積を有する基板部材と、
   を備え、
   前記基板部材は、前記ミラー層がその上方に形成される第２表面を有する基板を含み、前記基板の前記第２表面は、前記ミラー層の面積よりも小さい発光素子。
2. 前記第１半導体層は、ｎ型ＧａＮ層を含み、
   前記ｎ型ＧａＮ層は、前記活性層から放射される光の波長よりも大きい寸法の散乱形状の表面を有する請求項１記載の発光素子。
3. 前記基板は、導電性である請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記基板は、結晶性シリコンである請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
5. 前記基板部材は、金属を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子。
6. 前記接合パッド層は共晶金属層である請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子。
7. 前記ミラー層は、前記共晶金属層と接触する請求項６記載の発光素子。
8. 前記基板部材は、前記接合パッド層と前記基板との間に絶縁層を含む請求項１〜７のいずれか１つに記載の発光素子。
9. 第１半導体層と、前記第１半導体層とは異なる導電形の第２半導体層と、の間に挟まれた活性層を含む発光構造を、第１基板上に形成する工程と、
   前記第１半導体層上に反射層を堆積する工程と、
   前記反射層上に、絶縁領域で分離された複数の接合パッドを形成する工程と、
   前記絶縁領域と前記基板部材との間に間隙が形成されるように、前記接合パッドを、第２基板を含む基板部材の第１表面に接合する工程と、
   前記第１基板を除去して、前記基板部材に前記発光構造と前記反射層とが接合された構造を形成する工程と、
   前記第２半導体層の表面から前記基板部材の方向に向けて、前記絶縁領域を貫通する、前記間隙よりも幅が狭い第１トレンチを形成する工程であって、少なくとも前記絶縁領域に至るまではドライエッチング法を用いてエッチングすることにより第１トレンチを形成する工程と、
   前記基板部材の前記第１表面とは反対側の第２表面から前記第１トレンチに連通する第２トレンチを形成することで、前記構造を複数の部分に分断する工程と、
   を備え、
   前記複数の部分のそれぞれにおいて、前記基板部材は、その断面積が前記第１表面から前記第２表面に向けて小さくなるように形成され、前記第２基板は、前記ミラー層がその上方に形成される側の表面の面積を前記第１表面の面積よりも小さくなるように形成される発光素子の製造方法。
10. 前記第１トレンチは、１０μｍ未満の幅を有する請求項９記載の発光素子の製造方法。
11. 前記第２トレンチは、前記第１トレンチよりも幅が広い請求項９または１０に記載の発光素子の製造方法。
12. 金属層を前記反射層上にパターニング形成する工程を更に備え、
    前記パターニングされた金属層は、前記第１トレンチの下に配置された開口部を有し、
    前記開口部は、前記第２トレンチの一部となる請求項９〜１１のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
13. 前記反射層を前記基板部材へ接合する工程は、前記反射層上に共晶金属層をパターニング形成し、その共晶金属層を前記基板部材の表面に接合することを含み、
    前記パターニングされた前記共晶金属層は前記第１トレンチ下に開口部を含む請求項９〜１２のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
14. 前記第２半導体層の表面に散乱形状を形成し、
    前記散乱形状は、前記活性層から放射される光の波長よりも大きい寸法を有する請求項９〜１３のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
15. 前記第１トレンチを形成する工程は、前記第２半導体層の前記表面から前記絶縁領域までエッチングする第１ステップと、前記第１ステップと異なる条件で前記絶縁領域を貫通させるエッチングをする第２ステップと、を含む請求項９〜１４のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
16. 前記基板部材は絶縁パッドを含み、
    前記接合パッドが前記基板部材の第１表面に接合されることで、前記絶縁パッドは前記間隙を介して前記絶縁領域に相対する位置に配置される、請求項９〜１５のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
    
    

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