JP5856293B2 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、全般的には、シリコン基板上に製造されるＧａＮ系青色ＬＥＤ、並びに関連する方法及び構造に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する固体装置である。光は、ドープ層の両端間に電圧が印加されるとき、互いに反対の導電形にドープされた層の間に挟みこまれた、半導体材料の活性層から放射される。種々の材料で作製され、種々の構造を有し、種々の方式で機能する、多種多様なＬＥＤ装置構造が存在する。レーザー光線を放射するものもあれば、非単色かつ非コヒーレントな光を生成するものもある。特定用途での性能に関して最適化されるものもある。高出力装置であるものもあれば、そうではないものもある。赤外線として光を放射するものもあれば、様々な色の可視光を放射するものもあり、更に、紫外線を放射するものもある。製造に費用がかかるものもあれば、その一方で、より安価なものもある。市販の一般照明用途に関しては、多くの場合、青色ＬＥＤ構造が使用される。窒化インジウムガリウムを含む多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）の活性層を有する、そのような青色ＬＥＤは、例えば、４４０ナノメートル〜４９０ナノメートルの範囲の波長を有する、非単色かつ非コヒーレントな光を放射することができる。この場合、典型的には、放射された青色光の一部を吸収する蛍光体コーティングが提供される。この蛍光体が、蛍光を発して、他の波長の光を放射することにより、そのＬＥＤ装置全体が放射する光は、より広範囲の波長を有することになる。より広範囲の波長を放射する、このＬＥＤ装置の全体は、多くの場合、「白色」ＬＥＤと称される。

窒化ガリウムの基板ウェーハが利用可能であるが、それらは非常に高価である。市販の青色ＬＥＤのエピタキシャル層は、それゆえ、典型的には、例えばサファイアウェーハなどの、他のタイプの基板のウェーハ上に成長させる。しかしながら、これらの他の基板は、依然として望ましくなく高価である。パーソナルコンピュータ内で採用されるタイプの、一般的な集積回路は、通常は、シリコン基板上に製作される。コンピュータ産業用に生産される、大量のシリコン基板の結果として、シリコン基板は、サファイア基板と比較すると、相対的に安価である。更には、シリコン基板ウェーハを加工処理するための、中古の半導体プロセス装置が、多くの場合、低価格で入手可能であり、これは、集積回路製造会社が、集積回路製造技術の進歩に遅れることなく対応するために、自身の製造設備を頻繁にアップグレードするという事実によるものである。それゆえ、コストの観点からは、比較的安価なシリコン基板ウェーハ上にＧａＮ系ＬＥＤを作製し、かつそのようなシリコンウェーハを加工処理するために、入手可能な中古の半導体プロセス装置を使用することが可能であることが望ましいが、シリコン基板上に高品質のＧａＮエピタキシャル層を成長させることに関しては、多くの問題点が存在する。

シリコン基板上に高品質のＧａＮエピタキシャル層を成長させることに関連する問題点の多くは、シリコンの格子定数が、ＧａＮの格子定数とは実質的に異なるという事実に由来する。シリコン基板上にＧａＮをエピタキシャル成長させる場合、成長中のエピタキシャル材料は、望ましくなく高密度の格子欠陥を呈する恐れがある。ＧａＮ層が十分な厚さにまで成長する場合には、ＧａＮ層内部の応力が、後期に成長したＧａＮ材料の部分内に、ある種のクラックを生じさせる恐れがある。更には、シリコンとＧａＮとは、異なる熱膨張係数を有する。シリコン基板上に配置されたＧａＮを含む構造の温度が上昇する場合には、例えば、その構造のシリコン材料部分は、ＧａＮ材料が膨張する速度とは異なる速度で膨張することになる。これらの異なる熱膨張率は、そのＬＥＤ装置の様々な層の間に応力を生じさせる。この応力は、クラック及び他の問題を引き起こす恐れがある。更には、ＧａＮは化合物材料であり、Ｓｉは単体材料であるため、シリコン基板上にＧａＮを成長させることは困難である。この非極性構造から極性構造への遷移は、実質的な格子不整合と組み合わされて、欠陥を生じさせる。これらの理由及び他の理由のために、殆どの市販の白色ＬＥＤ装置の、エピタキシャルＬＥＤ構造部分は、シリコン基板上に成長させることはない。シリコン基板上に青色ＬＥＤを作製するための、改善されたプロセス及び方法が求められている。

シリコン基板上に成長させる青色ＬＥＤの製造はまた、典型的にはウェーハボンディングも伴う。従来技術の一プロセスでは、エピタキシャル青色ＬＥＤ構造を、非ＧａＮ基板上に成長させ、素子ウェーハ構造を形成する。銀の層が、このエピタキシャルＬＥＤ構造上に形成され、反射鏡として機能する。次いで、複数周期の白金及びチタン−タングステンを含むバリアメタル層が、この銀鏡上に配置される。各周期内の白金層は、薄い６０ｎｍの層である。各周期内のチタン／タングステン層は、厚さ約１０ｎｍであり、約９０パーセント前後のタングステンを含む。５つ又は６つの、そのような周期が提供される。素子ウェーハ構造が、この方式で形成された後、キャリアウェーハ構造が、素子ウェーハ構造にウェーハボンディングされる。次いで、素子ウェーハ構造の、最初の非ＧａＮ基板が除去され、得られたウェーハ接合構造が個片化されることにより、ＬＥＤ装置が形成される。この従来技術のプロセスでは、接合金属の層を使用して、素子ウェーハ構造に、キャリアウェーハ構造をウェーハボンディングする。この接合金属層は、金／錫のサブレイヤーを含む。金／錫のサブレイヤーが、ウェーハボンディング中に融解される際には、この金／錫のサブレイヤーからの錫は、複数周期のバリアメタル層の厚さにより、また短い高温の周期を使用して、この接合金属を融解させることにより、銀層内に侵入することはない。この従来技術のプロセスは、良好に機能することが認められている。

第１の新規態様では、白色ＬＥＤアセンブリは、青色ＬＥＤ装置を含む。この青色ＬＥＤ装置は、シリコン基板の上に、低抵抗層（ＬＲＬ）をエピタキシャル成長させることによって、製造される。一実施例では、バッファ層をシリコンウェーハ基板上に直接成長させ、次いで、アンドープの窒化ガリウムのテンプレート層をバッファ層上に直接成長させ、次いで、ＬＲＬをテンプレート層上に直接成長させる。

一実施例では、ＬＲＬは、複数の周期を含む超格子構造であり、各周期は薄く（厚さ３００ｎｍ未満）、相対的に厚い窒化ガリウムのサブレイヤー（例えば、厚さ１００ｎｍ）、及び相対的に薄いアンドープの窒化アルミニウムガリウムのサブレイヤー（例えば、厚さ２５ｎｍ）を含む。ＬＲＬの最下サブレイヤーは、ＧａＮのサブレイヤーである。ＬＲＬの最上サブレイヤーもまた、ＧａＮのサブレイヤーである。このＬＲＬ内には、４つのアンドープの窒化アルミニウムガリウムのサブレイヤーが存在する。

青色ＬＥＤ装置は、２つの反対の導電形にドープされた層の間に挟みこまれる、インジウム含有発光活性層を含む。この２つの反対の導電形にドープされた層の間に挟みこまれる活性層の構造は、本明細書では、「ＰＡＮ構造」と称される。ＰＡＮ構造のｎ形層を、ＬＲＬの上面上に直接成長させることにより、そのｎ形層は、ＬＲＬのＧａＮサブレイヤー上に直接配置される。このｎ形層も、窒化ガリウム及び窒化アルミニウムガリウムの周期を同様に含み得るが、そのｎ形層の窒化ガリウムサブレイヤーは、ＬＲＬの窒化ガリウムサブレイヤーよりも、実質的に厚い。更には、ｎ形層の窒化アルミニウムガリウムサブレイヤーは、ＬＲＬの窒化アルミニウムガリウムサブレイヤーよりも、実質的に薄い。ｎ形層の窒化アルミニウムガリウムサブレイヤーは、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３超のシリコン濃度を有するように、シリコンドープされ、その一方で、ＬＲＬ層の窒化アルミニウムガリウムサブレイヤーはアンドープであり、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満のシリコン濃度を有する。

後続のプロセスでは、シリコン素子ウェーハ構造の表側が、導電キャリアを含むキャリアウェーハ構造にウェーハボンディングされる。この導電キャリアは、例えば、導電性となるようにドープされた、単結晶シリコンウェーハとすることができる。このウェーハボンディングの後、化学的機械的研磨によって、かつ／又は他の好適な方法によって、最初のシリコンウェーハ基板が除去される。

第１の具体的実施例では、最初のシリコンウェーハ基板、バッファ層、及びテンプレート層は除去されるが、ＬＲＬ層の少なくとも一部分は残される。この除去工程の後に、残存するＬＲＬの露出面は、窒化ガリウムサブレイヤーである。電極が追加されて、このウェーハ接合構造は、個別の青色ＬＥＤ装置へと個片化される。各青色ＬＥＤ装置内部では、ＰＡＮ構造のｎ形層は、ＬＲＬ層の少なくとも一部分と直接接触している。ＬＲＬ層は、ＬＲＬ／ｎ形層界面でのｎ形層のシート抵抗よりも低い、ＬＲＬ／ｎ形層界面でのシート抵抗を有する。ｎ形層のシート抵抗は、１５オーム毎スクエア超である。

そのような青色ＬＥＤ装置内では、ＬＲＬは、２つの機能を有する。第１の機能は、ｎ形窒化ガリウム層を成長させるプロセスで、ＬＲＬの存在により、通常であれば存在するｎ形層内の格子欠陥濃度が低減されることである。ＬＲＬは、下方のテンプレート層内で発生する転位スレッドが、上に延びてｎ形層内に広がることをブロックするように機能する。第２の機能は、電流拡散機能である。ＬＲＬは、いわゆる高移動度電子の２次元ガスが、ＬＲＬの超格子の層内に存在するように形成される。この２次元電子ガスの結果として、ＬＲＬ／ｎ形層界面でのＬＲＬのシート抵抗は、ｎ形層のシート抵抗よりも実質的に低い。この相対的に低い抵抗率のＬＲＬにより、ｎ形層の一方の側上での、横方向の電流拡散が促進される。ＬＥＤの動作中に、ＬＲＬ／ｎ形層界面平面を通過する電流の流れは、それゆえ、ＬＲＬが存在しない場合よりも均一である。

第２の具体的実施例では、最初のシリコンウェーハ基板、バッファ層、テンプレート層、及びＬＲＬは、全て除去される。ＬＲＬは、完全に除去される。電極が追加されて、このウェーハ接合構造は、個別のＬＥＤ装置へと個片化される。各ＬＥＤ装置内では、ＬＲＬが完全に除去されたため、ＰＡＮ構造のｎ形層は、ＬＲＬのいずれの部分とも接触していない。この第２の具体的実施例では、ＬＲＬは、ｎ形層内の格子欠陥の濃度を低減する、第１の機能を果たす。

第２の新規態様では、ウェーハボンディングプロセスは、共晶金属の層を融解させることによって、素子ウェーハ構造に、キャリアウェーハ構造をウェーハボンディングし、それによってウェーハ接合構造を形成することを伴う。融解の前には、素子ウェーハ構造は、その上にエピタキシャルＬＥＤ構造を成長させたシリコン基板などの、基板上に配置されたエピタキシャルＬＥＤ構造を含む。この素子ウェーハ構造は、エピタキシャルＬＥＤ構造の上に配置される、非反応性バリアメタルの層を更に含む。一実施例では、非反応性バリアメタルの層は、厚さ５０ｎｍ超の、チタンの単一層である。一実施例では、共晶金属層は、第１の金のサブレイヤー、金／錫のサブレイヤー、及び第２の金のサブレイヤーを含み、金／錫のサブレイヤーは、２つの金のサブレイヤーの間に配置される。共晶金属層が融解する際、非反応性バリアメタル層は、共晶層からの錫が、この非反応性バリア層を通過して拡散することを防止する。具体的一実施例では、エピタキシャルＬＥＤ構造と非反応性バリアメタル層との間に配置される、銀の高反射層が存在する。この銀層は、反射鏡機能を提供し、また、エピタキシャルＬＥＤ構造に対する電気的コンタクトとしても役立つ。非反応性バリアメタル層は、共晶接合金属層からの錫が、ウェーハボンディングプロセスの間に、この銀層内に入り込むことを防止する。錫が銀鏡内に拡散することが可能である場合には、その銀鏡の反射率が減少する恐れがあり、また、銀コンタクトの接触抵抗率が増大する恐れがある。

第１の有利な態様では、共晶金属層を融解させる高温サイクルは、キャリアウェーハ構造を、２８０℃超（例えば、３１０℃）の温度まで加熱し、１分超の間、この温度を維持することを伴う。第２の有利な態様では、エピタキシャルＬＥＤ構造とキャリアウェーハ構造のキャリアとの間に配置される、少なくとも１つの白金の層が存在し、エピタキシャルＬＥＤ構造とキャリアとの間の全ての白金の層の、全ての厚さの合計は、２００ｎｍ未満である。第３の有利な態様では、エピタキシャルＬＥＤ構造とキャリアとの間に、唯一の白金の層が存在する。この白金層は、銀を封入する機能を果たすことにより、銀のエレクトロマイグレーションを防止する。この白金封入層は、２００ｎｍ未満の厚さを有する。ウェーハボンディングは、ウェーハ接合構造をもたらす。ウェーハボンディングの後、素子ウェーハ構造のシリコン基板が除去されて、残存するウェーハ接合構造に電極が追加され、そのウェーハ接合構造が個片化されることにより、青色ＬＥＤ装置が形成される。

白金は、極めて高価な金属である一方、チタンは、実質的に、より安価である。背景技術のセクションで上述された、従来技術のウェーハボンディングプロセスは、５つ以上の白金層を含み、それらの白金層のそれぞれは、厚さが１００ｎｍ以上となる場合がある。５００ｎｍ以上の白金が、従来技術のプロセスで使用される。使用される白金の量を、２００ｎｍよりも薄い単一層へと低減することによって、本明細書で開示される新規の非反応性金属ボンディングプロセスは、シリコン基板上に青色ＬＥＤを製造するコストを低減することができる。

第３の新規態様では、青色ＬＥＤ装置は、遷移バッファ層として硫化亜鉛（ＺｎＳ）を使用して、シリコン基板の上に、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層をエピタキシャル成長させることによって製造される。一実施例では、ＺｎＳバッファ層は、厚さ５０ｎｍであり、ｎ形ＧａＮ層は、少なくとも厚さ２０００ｎｍである。ＺｎＳバッファ層上にｎ形ＧａＮ層を成長させることにより、ｎ形ＧａＮ層内の格子欠陥密度が低減される。第１に、ＺｎＳバッファ層は、シリコン基板との良好な格子定数の整合、及び後続のＧａＮ成長に関する化合物極性テンプレートを提供する。第２に、ＺｎＳは、ＭＯＣＶＤによって容易に調製することができるため、全てのエピ層を、１つの成長チャンバ内で成長させる。第３に、ＺｎＳの融点は１８５０℃であり、この温度は、ＧａＮの堆積の間に、ＺｎＳが不安定になることを防ぐために十分に高い。最後に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層もまた、バッファ層の一部として使用される場合には、ＺｎＳ層は、ＡｌＮ層とシリコン基板との間の拡散バリアとして使用される。エピタキシャルＬＥＤ構造のエピタキシャル層が形成された後、その構造に、キャリアウェーハ構造がウェーハボンディングされ、このキャリアウェーハ構造は、導電キャリアを含む。次いで、このウェーハ接合構造から、最初のシリコン基板及びＺｎＳバッファ層が除去される。電極が追加されて、ウェーハ接合構造が個片化されることにより、完成ＬＥＤ装置が形成される。

第４の新規態様では、垂直型Ｇａｎ系青色ＬＥＤ装置は、複数の導電性の介在層を備えるｎ形層を有する。一実施例では、ｎ形層は、複数の周期を含み、このｎ形層の各周期は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のサブレイヤー、及びシリコンでドープされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ：Ｓｉ）の介在サブレイヤーを含む。一実施例では、各ＧａＮサブレイヤーは、９００ｎｍの厚さを有し、各ＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在サブレイヤーは、２５ｎｍ未満の厚さを有する。ＡｌＧａＮは、ＧａＮよりも小さい格子定数を有するため、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在層は、ＧａＮサブレイヤーに圧縮歪みを提供して、クラックを防止する。各介在層の後に、重ね合わされるＧａＮサブレイヤーの品質は、より低い格子欠陥の密度の点で、品質改善されたものである。更には、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層は、電子伝導性であり（例えば、１×１０^７〜１×１０^９の欠陥／ｃｍ^３）、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えるシリコン濃度を有する。エピタキシャルＬＥＤ構造のエピタキシャル層が形成された後、その素子ウェーハ構造に、キャリアウェーハ構造がウェーハボンディングされ、このキャリアウェーハは、導電キャリアを含む。次いで、このウェーハ接合構造の、最初のシリコン基板が除去される。電極が追加されて、ウェーハ接合構造が個片化されることにより、完成ＬＥＤ装置が形成される。ＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在サブレイヤーは、導電性であるため（例えば、抵抗率＝１×１０^−２Ωｃｍ）、それらは、最終ＬＥＤ装置内で除去される必要がない。むしろ、ｎ形層全体が、完成青色ＬＥＤ装置内に残存し、少なくとも２０００ナノメートルの厚さを有することにより、電流拡散の増強がもたらされ、表面粗化に対応する、より多くのｎ−ＧａＮ材料が提供される。

更なる詳細並びに実施形態及び技術は、以下の「発明を実施するための形態」で、説明される。この「発明の概要」は、本発明を規定することを意図するものではない。本発明は、特許請求の範囲によって規定される。

添付図面は、同様の符号が同様の構成要素を示し、本発明の実施形態を例示する。

一新規態様による白色ＬＥＤアセンブリの断面図である。

図１の白色ＬＥＤアセンブリの見下ろし図である。

図１の白色ＬＥＤアセンブリの簡略化及び拡大した断面図である。

図１の白色ＬＥＤアセンブリの、青色ＬＥＤ装置の見下ろし図である。

図１の白色ＬＥＤアセンブリの、青色ＬＥＤ装置の一部分の断面図である。

シリコン基板上に形成された、図３の青色ＬＥＤ装置のエピタキシャルＰＡＮ構造層の断面図である。

図６の構造に電流ブロッキング構造が追加される、製造方法の工程を示す図である。

図７の構造に、高反射層が追加される、本製造方法の工程を示す図である。

図８の構造の上に、封入層が形成され、その封入層の上に、非反応性バリアメタル層が形成される、本製造方法の工程を示す図である。

図９の構造に、接合金属が追加される、本製造方法の工程を示す図である。

図１０の構造に、キャリアウェーハ構造がウェーハボンディングされる、本製造方法の工程を示す図である。

使用される熱圧縮ウェーハボンディングプロセスの温度サイクルを示すグラフである。

ウェーハ接合構造が反転される、本製造方法の工程を示す図である。

図１２の構造から、シリコン基板、バッファ層、及びテンプレート層が除去される、本製造方法の工程を示す図である。

図１４の除去工程の後、及びメサが形成された後のウェーハ接合構造の見下ろし図である。

線Ｂ−Ｂに沿った図１５の断面図である。

ＬＲＬの表面が粗化される、本製造方法の工程を示す図である。

図１７の構造に、電極が追加される、本製造方法の工程を示す図である。

図６〜１８の本製造方法の各工程についての詳細を記載する表である。

図６〜１８に関連する上記の製造方法によって形成されるが、ただし図１４に示される除去工程で、全てのＬＲＬ４が除去される、青色ＬＥＤ装置１００の断面図である。

図６〜１８に関連する上記の製造方法によって形成されるが、ただし図１４に示される除去工程で、全てのＬＲＬ４が除去され、かつｎ形層５の一部が除去される、青色ＬＥＤ装置２００の断面図である。

第１の新規態様による方法のフローチャート図である。

第２の新規態様による方法のフローチャート図である。

第３の新規態様による方法のフローチャート図である。

第４の新規態様による方法のフローチャート図である。

その実施例が添付図面で例示される、本発明の一部の実施形態を、ここで詳細に参照する。以下の説明及び特許請求の範囲では、第１の層が、第２の層の「上に」配置されているとして言及される場合には、その第１の層は、第２の層上に直接存在し得るか、又は介在層が、第１の層と第２の層との間に存在し得ることを理解されたい。「上」、「下」、「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」、「上向き」、「下向き」、「垂直に」、及び「横方向に」などの用語は、本明細書では、説明されている青色ＬＥＤ装置の種々の構成部品間の、相対配向を説明するために使用されるものであり、説明されている青色ＬＥＤ装置の全体は、実際には、３次元空間内で、任意の方式で配向することができる点を理解されたい。

図１は、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリ５０の断面側面図である。図２は、白色ＬＥＤアセンブリ５０の見下ろし図である。白色ＬＥＤアセンブリ５０は、４つの垂直型青色ＬＥＤ装置５１〜５４を含む。垂直型ＬＥＤ装置はまた、垂直接触型ＬＥＤ装置とも称される場合があり、水平型又は横方向接触型ＬＥＤ装置と区別される。４つの垂直型青色ＬＥＤ装置５１〜５４は、金属コアプリント配線板（ＰＣＢ）１９に実装される。見下ろし視点からは、４つの垂直型青色ＬＥＤ装置５１〜５４は、保持リング２０によって取り囲まれる。保持リング２０は、青色ＬＥＤ装置５１〜５４を覆う一定量の蛍光体２１を保持する。第１金属構造５７の一部分は、ハンダマスク層５８内の第１開口部を通って露出される。青色ＬＥＤ装置５１〜５４のアノード電極は、一定量の銀エポキシ１８を介して、この第１開口部内の第１金属構造５７に表面実装される。ハンダマスク層５８内の第１開口部はまた、第２金属構造５９の一部分も露出させる。青色ＬＥＤ装置５１〜５４の上向きのカソード電極は、第２金属構造５９の露出部分にワイヤボンディングされる。第１パッド６０が、ハンダマスク層５８内の別の開口部によって形成される。第２パッド６１が、ハンダマスク層５８内の更に別の開口部によって形成される。図３の断面図に示されるように、第１金属構造５７及び第２金属構造５９は、誘電体層６２上に配置される金属層の部分である。誘電体層６２は、厚さ３５ｕｍ〜２５０ｕｍの、Ａｌ２Ｏ３のような無機充填剤を含有するエポキシ材料の層である。この誘電体層６２は、金属コアＰＣＢ１９のアルミニウム又は銅の基底部分６３から、第１金属構造５７及び第２金属構造５９を絶縁する。

図３は、白色ＬＥＤアセンブリ５０の簡略化された断面側面図である。この図では、１つのみの垂直型青色ＬＥＤ装置５４が示される。垂直型青色ＬＥＤ装置５４は、多数の層を含み、それらの層の一部が、図３に示される：第１金属電極１７、低抵抗層（ＬＲＬ）４の一部分、ｎ形窒化ガリウム層５、活性層７、ｐ形窒化ガリウム層８、接合金属層１３を含む一定量の金属、導電キャリア１５、及び第２金属電極１６。参照番号６４は、青色ＬＥＤ装置５４の第１金属電極１７を、第２金属構造５９に結合するワイヤボンドを特定する。金属１７及びＬＲＬ４は導電性であり、ｎ形層５に電気的接触するように機能する。ｐ形層８の下方の全ての層（層１３、１５、１６を含む）は導電性であり、ｐ形層８に電気的接触するように機能する。

図４は、垂直型青色ＬＥＤ装置５４の見下ろし図である。第１金属電極１７は、グリッド形状を有する。

図５は、図３の切断線Ａ−Ａに沿った、より詳細な垂直型青色ＬＥＤ装置５４の断面図である。導電キャリア１５とｐ形窒化ガリウム８の間は、バリアメタル層１４、接合金属層１３、バリアメタル層１２、封入金属の層１１、高反射層１０、及び電流ブロッキング層９を含む、複数の層並びに構造である。電流ブロッキング層９は、電流ブロッキング構造へとパターン化される。活性層７とｎ形窒化ガリウム層５の間は、歪み緩和層６である。電流が、第２電極１６から、導電キャリア１５を通り、金属層１４、１３、１２、１１、及び金属層１０を通り、ｐ形窒化ガリウム層８を通り、活性層７を通り、歪み緩和層６を通り、ｎ形窒化ガリウム層５を通り、低抵抗層７４を通り、第１電極１７に流れると、非単色かつ非コヒーレントな光が、活性層７から放射される。この放射光は、約４４０ｎｍ〜約４９０ｎｍの範囲の波長を有する。用語「非単色」とは、本明細書で使用するとき、その光が、典型的なレーザーダイオードによって放射される光のスペクトル線幅よりも、実質的に広いスペクトル線幅を有することを意味する。ＬＥＤのスペクトル線幅は、典型的には、約２０ｎｍの広さであるが、その一方で、レーザーダイオードのスペクトル線幅は、典型的には、４．０ｎｍ未満の広さである。

図６〜１８は、青色ＬＥＤ装置５４の製造方法の工程を記載する一連の図である。これらの図は正確な縮尺ではなく、むしろ概念図である。

図６は、シリコン基板１上にエピタキシャル層を形成する、幾つかの初期工程の結果を示す断面図である。シリコン基板１は、高容量ＣＭＯＳ集積回路の製造に一般的に使用されるタイプの、単結晶シリコン基板ウェーハである。バッファ層２が、このシリコン基板上に形成される。例示的実施形態では、このバッファ層２の形成は、シリコン基板１上に、厚さ１００ｎｍ未満の硫化亜鉛の層６５（例えば、５０ｎｍ）を、最初に形成することを伴う。次いで、厚さ２００ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の層６６が、ＺｎＳ層６５上に形成される。次いで、厚さ２５０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の層６７が、ＡｌＮ層６６上に形成される。硫化亜鉛の層を含む、この特定のバッファ層が示されるが、他のタイプのバッファ層を使用することもできる。例えば、ＡｌＮの単一層のバッファ層を使用することができる。ＺｎＳ層６５が設けられる場合には、図６に示すＡｌＮ層６６及びＡｌＧａＮ層６７は、任意選択である。

垂直型ＬＥＤ装置５４の製造は、シリコン基板１の上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）層（例えば、ｎ形ＧａＮ層５）を、その後にエピタキシャル成長させることを含む。ＧａＮ及びＳｉの面内格子定数は、それぞれ、ａＧａＮ（０００１）＝３．１８９．オングストローム、及びａＳｉ（１１１）＝３．８４０．オングストロームである。結果として、ＧａＮとＳｉとの間には、実質的に２０．４％の面内格子不整合が存在する。この格子不整合は、ＧａＮとＳｉとの熱膨張係数の大きな差異（例えば、５６％）と組み合わされて、シリコン基板上に、高品質で厚い、クラックのないＧａＮを成長させることを困難な課題にする。一般には、一致する格子条件を満たす遷移バッファ層を使用することにより、この格子不整合を緩和することができる。例えば、ＡｌＮ層６６（ａＡｌＮ＝３．１１２．オングストローム）が、ＧａＮエピ層に対する圧縮を提供するためのバッファ層として、多くの場合使用される。しかしながら、界面でのＡｌとＳｉとの相互拡散は激しいものであり、意図せざる高いドーピング濃度を生じさせる。更には、ＡｌＮとＳｉとの間の格子不整合が、ＧａＮとＳｉとの間の格子不整合よりも更に高いため、ＡｌＮの結晶品質は、低いものとなる。

この欠点を克服するために、ＺｎＳ層６５が、新たな遷移バッファ層として使用される。第１に、ウルツ鉱型ＺｎＳ化合物（ａＺｎＳ＝３．８１１．オングストローム）は、０．３８１１の格子定数を有し、この格子定数は、ＧａＮの格子定数とＳｉの格子定数との間であり、よりＳｉの格子定数に近い。それゆえ、ＺｎＳは、Ｓｉとの良好な格子定数の整合をもたらし、また、ＧａＮと同様に化合物材料でもある。第２に、ＺｎＳは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって容易に調製することができるため、全てのエピ層を、１つの成長チャンバ内で成長させる。ＭＯＣＶＤは、材料の、特に有機化合物又は有機金属と、必要な化学物質を含有する金属水素化物との表面反応からの、化合物半導体のエピタキシャル成長の化学気相成長法である。一実施例では、ＺｎＳは、ＭＯＳＣＶＤチャンバ内で、３５０℃の成長温度、及び１００Ｔｏｒｒの成長圧力下で、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）と共に硫化水素を導入することによって、シリコン基板上に成長する。第３に、ＺｎＳの融点は１８５０℃であり、この温度は、ＧａＮの堆積の間に、ＺｎＳが不安定になることを防ぐために十分に高い。最後に、ＡｌＮ層もまた、バッファ層の一部として使用される場合には、ＺｎＳ層はまた、バッファのＡｌＮとシリコン基板との間の拡散バリアとしても役立つ。

次いで、テンプレート層３が、バッファ層２上に形成される。例示的実施形態では、テンプレート層３は、厚さ１０００ｎｍの、アンドープの窒化ガリウムの層である。

このテンプレート層上に、ＬＥＤのｎ形層を直接成長させるのではなく、低抵抗層（ＬＲＬ）４を、テンプレート層３上に直接成長させる。例示的実施形態では、ＬＲＬ４は、高移動度電子の２次元ガスが、その層内に形成されるように構造化される、超格子構造である。この超格子構造は、複数の周期を含み、各周期は、厚さ３００ｎｍ未満である。具体的一実施例では、各周期は、厚さ１００ｎｍの、ｎ形窒化ガリウムのサブレイヤー、厚さ及び２５ｎｍの、アンドープの窒化アルミニウムガリウムのサブレイヤーを含む。図６の例示の視図では、厚さ１００ｎｍのｎ−ＧａＮサブレイヤーが、テンプレート層３上に直接配置される。また、ＬＲＬ４の最上部のサブレイヤーも、厚さ１００ｎｍのｎ−ＧａＮサブレイヤーである。図示の構成では、５つのＧａＮサブレイヤー、及び４つのＡｌＧａＮサブレイヤーが存在する。ｎ−ＧａＮ層は、シリコンを使用して、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の濃度にドープされる。より薄いＡｌＧａＮサブレイヤーのそれぞれは、より厚いＧａＮサブレイヤーの格子に合わせて歪んでいる。

次いで、ｎ形ＧａＮ層５をＬＲＬ４上に成長させる。低い格子欠陥密度を有し、かつクラック及び他の問題を被ることのない、高品質のＧａＮの厚い層を成長させることは、ＧａＮ層内の応力の蓄積により、困難である。例えば、ＧａＮとＳｉとの間には、熱膨張係数の大きな差異（例えば、５６％）が存在する。この熱的不整合は、通常は、冷却中のＧａＮエピ層内に、引張応力を引き起こす。ＧａＮエピ層の厚さが、１０００ｎｍよりも大きい場合、通常は、クラックが発生する。ＧａＮ層がより厚く成長する際に、応力が蓄積する正確な理由は、完全に理解されていないが、ＧａＮ層内の応力の蓄積がクラックを生じさせる直前に、ＧａＮ層の成長を中断させることによって、クラックを防止することができる点が、経験的に既知である。この時点で、薄い介在層をＧａＮ層の上面上に成長させる。この介在層は、例えば厚さ５ｎｍのＡｌＮの層である。この薄い介在サブレイヤーの形成の後、別のＧａＮのサブレイヤーをその介在層上に成長させる。この第２のＧａＮサブレイヤーは、そのＧａＮサブレイヤーが、過度に大きい内部応力を有することなく、可能な限り厚くなるように成長させる。この周期性が、複数回繰り返される。各介在層の後に、重ね合わされるＧａＮサブレイヤーの品質は、より低い格子欠陥の密度の点で、品質改善されたものである。例えば、典型的な、Ｓｉの上のＧａＮは、１×１０^１０の欠陥／ｃｍ^３の、高い欠陥密度を有する。品質改善された、Ｓｉの上のＧａＮの欠陥濃度は、１×１０^７〜１×１０^９の欠陥／ｃｍ^３の範囲である。

しかしながら、ＡｌＮ介在サブレイヤーの使用は、１つの問題を生じさせる。ＡｌＮは、その広いバンドギャップ（例えば、６．２ｅＶ）により、絶縁材料であり、それゆえ、垂直方向での電流輸送に関するバリアを作り出す。結果として、シリコン基板から最上部のＡｌＮ介在サブレイヤーまでの全てのサブレイヤーは、垂直型ＬＥＤが作製される場合には、除去しなければならない。これらの層の電流拡散機能は、それゆえ、最終ＬＥＤ装置に関与することはない。最上部のＡｌＮサブレイヤーの上のＧａＮサブレイヤーは、通常は、２０００ｎｍ未満であり、このことは、ＬＥＤ装置内の電流集中問題を引き起こす可能性がある。この問題を解決するために、ＡｌＮを使用する代わりに、薄いＡｌＧａＮ：Ｓｉ層が、新たな介在サブレイヤーとして使用される。第１に、ＡｌＧａＮ：Ｓｉは、その中を通る電子輸送を可能にする、ｎ形材料であるが、これは、ＡｌＧａＮが、ＡｌＮのバンドエネルギーよりも小さいバンドエネルギー（例えば、Ａｌの濃度に応じて、３．４ｅＶ〜６．２ｅＶのバンドギャップ）を有し、それゆえ、ＡｌＧａＮ中のＳｉの活性化エネルギーが、ＡｌＮ中のＳｉの活性化エネルギーよりも小さいためである。結果として、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在サブレイヤーは、電子伝導性であり、最終ＬＥＤ装置内で除去する必要がない。この導電性ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層の抵抗率の一実施例は、１×１０^−２Ωｃｍである。第２に、ＡｌＧａＮは、ＧａＮよりも小さい格子定数を有し、それゆえ、後続のＧａＮサブレイヤーに圧縮歪みを提供して、クラックの防止を助ける。

図６の実施例では、ｎ形ＧａＮ層５のＧａＮサブレイヤーのそれぞれは、約９００ｎｍの厚さを有し、シリコンを使用して、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の濃度でドープされる。ＡｌＧａＮ：Ｓｉの介在サブレイヤーのそれぞれは、厚さが２５ｎｍ未満（例えば、５ｎｍ）であり、シリコンのドーパント濃度は、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。これらのＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在サブレイヤーは、比較的導電性であり、またｎ形ＧａＮ介在サブレイヤーは、導電性であるため、ｎ形ＧａＮ層５の全体は、ＬＲＬ／ｎ形層界面から活性層に向かう方向で、電流を有効に伝導することができる。ＬＲＬ４と直接接触する、ｎ形ＧａＮ層５の最下サブレイヤーは、図示のように、厚さ９００ｎｍのＧａＮサブレイヤーである。ｎ形窒化ガリウム層５の上部サブレイヤーもまた、図示のように、９００ｎｍのＧａＮのサブレイヤーである。複数のＡｌＧａＮ：Ｓｉ導電性介在サブレイヤーを有する、ｎ形ＧａＮ層５の全体は、厚さ約５０００ｎｍであり、各ｎ−ＧａＮサブレイヤーは、ＬＲＬ４のｎ−ＧａＮサブレイヤーよりも実質的に厚い。

ｎ形ＧａＮ層５と下層のＬＲＬ４との間には、界面７４が存在する。ｎ形ＧａＮ層５は、この界面で、１５オーム毎スクエアを超えるシート抵抗を有する。ＬＲＬ４もまた、この界面でシート抵抗を有するが、ＬＲＬ４のシート抵抗は、ｎ形ＧａＮ層５のシート抵抗よりも低い。一実施例では、ＬＲＬ４のシート抵抗は、第１のＬＥＤ装置の上部層を研削除去して、界面７４でＬＲＬ４の表面を露出させ、次いで露出したＬＲＬ表面を精査して、そのシート抵抗を測定することによって、破壊測定することができる。同様の方式で、第２のＬＥＤ装置の下部層を研削除去して、界面７４でｎ形層５の表面を露出させ、次いで露出したｎ形層表面を精査して、そのシート抵抗を測定することによって、ｎ形層５のシート抵抗を破壊測定することができる。

次に、歪み緩和層６が、ｎ形ＧａＮ層５上に形成される。一実施例では、歪み緩和層５は、厚さ１２０ｎｍであり、３０の周期を含む。各周期は、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜０．１２）の第１サブレイヤー、及びＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（式中、０＜ｙ＜０．１２）の第２サブレイヤーを含む。

次に、活性層７が、歪み緩和層６上に形成される。活性層７は、青色ＬＥＤ装置全体内で、青色光を放射するように構築される。一実施例では、活性層７は、１０の周期を有する、厚さ１３０ｎｍの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。各周期は、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮサブレイヤー（１５％のＩｎ）、及び厚さ１０ｎｍのＧａＮサブレイヤーを含む。活性層７は、約４４０ｎｍ〜約４９０ｎｍの範囲の波長を有する、非単色光を放射する。

次に、ｐ形ＧａＮ層８が、活性層７上に形成される。一実施例では、このｐ形ＧａＮ層は、厚さ３００ｎｍであり、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の、マグネシウムのドーパント濃度を有する。この実施例では、ｐ形ＧａＮ層８の上面は、完成ＬＥＤ装置が、非単色光を放射し、レーザーダイオード内で使用されるタイプの電流集束リッジ構造を含まないように形成される。ｎ形層５、ｐ形層８、及びそれらの間の、活性層７を含めた全ての層は全体で、エピタキシャルＬＥＤ構造８０である。

図７は、本製造方法の後続の工程を示す断面図である。絶縁材料の電流ブロッキング層が、ｐ形ＧａＮ層８の上面上に形成される。一実施例では、この電流ブロッキング層は、パターン化された厚さ２００ｎｍの二酸化珪素の層である。この二酸化珪素の層は、一部の場所での電流の流れを、他の場所での電流の流れよりも多く妨げる構造が形成されるように、フォトリソグラフィー技術を使用して、堆積及びパターン化される。例えば、本製造方法で、第１電極１７が後に形成される場所の直下に、電流ブロッキング層の大型構造６６が配置される。大型構造６６が、この場所に定置されることにより、電流が、第１電極１７の真下の活性層を通って流れることはなく、それゆえ、第１電極１７の直下で、光を発生させることがない。第１電極の真下の活性領域内で、光が発生した場合には、その光の多くは、金属の第１電極１７によって、ＬＥＤ装置から脱出することをブロックされる恐れがある。このブロックされた光は、使用可能な光として、ＬＥＤから決して脱出することなく、ＬＥＤ内に再吸収される恐れがある。そのブロックされた光を発生させるために使用された電流は、それゆえ、無駄なものとなる。電流が、第１電極１７の直下の活性層の部分を通って流れることをブロックすることによって、この電流は、他の場所で、活性層を通って流れることになり、その場所では、得られた光は、有用な光としてＬＥＤ装置から脱出する可能性がより高い。ｐ形層８の上面区域の各副区域の、適切な割合をブロックすることによって、またｐ形層８の上面区域の全体にわたる副区域ごとに、この割合を適切に変化させることによって、個々の副区域を通って流れる電流の量が制御され、ＬＥＤ装置全体を通る電流の流れと比較して、ＬＥＤ装置からの光出力が最大化される。

図８は、本製造方法の後続の工程を示す断面図である。高反射層１０が、電流ブロッキング層９の上に堆積される。一実施例では、高反射層１０は、ｐ形ＧａＮ層８にオーミック接触する、厚さ２００ｎｍの銀の層である。この銀層は、ＬＥＤ装置ウェーハの全体を覆うものではない。高反射層１０は、図８の構造全体を覆うように示されるが、これは、図８の断面図が、線Ａ−Ａに沿った、ＬＥＤ装置の一部のみの断面図であるためである。高反射層１０は、光を反射する鏡として作用する第１の機能を果たし、またｐ形層８に電気的接触する第２の機能を果たす。

図９は、本製造方法の後続の工程を示す断面図である。封入層１１が、銀層１０を覆う。例示的実施形態では、封入層１１は、厚さ１００ｎｍの白金の層である。この白金の層は、銀のエレクトロマイグレーションをブロックする。有利な一態様では、この白金の層は、青色ＬＥＤ装置内の唯一の白金の層である。青色ＬＥＤ装置の全ての白金層の、全ての厚さの合計（１つのみの白金の層が存在する）は、２００ｎｍ未満である。

封入層１１が形成された後、厚さ５０ｎｍ超の非反応性バリアメタル層１２が、封入層の上に形成される。例示的実施形態では、非反応性バリアメタル層１２は、厚さ２００ｎｍのチタンの層である。このチタンは、錫の拡散に対するバリアであるという点でのバリアである。この構造の頂部に後に適用される接合金属層からの錫は、このバリア層によって、銀の層１０内に拡散することをブロックされる。錫に関するバリアとして使用される場合がある、白金、チタン／タングステン、金、及びニッケルなどの、一部の他の金属は、実際には、ある程度錫と反応する。そのような反応金属をバリアとして使用する他のボンディングプロセスでは、提供される反応金属の厚さと、高温のボンディングサイクルの制限時間との組み合わせにより、錫の侵入の量は、許容レベルの範囲内に留められる。層１２の非反応性バリアメタルは、対照的に、そのような反応金属ではなく、一実施例では、厚さ５０ｎｍ超のチタンの層である。

図１０は、本製造方法の後続の工程を示す断面図である。厚さ５００ｎｍの金のサブレイヤーが、非反応性バリアメタル層１２の上面を覆うように形成される。図１０の参照番号１３は、金属層の３つのサブレイヤーＡｕ／ＡｕＳｎ／Ａｕのサンドイッチ構造のうちの、１つのサブレイヤーである、この金のサブレイヤーを示す。

図１１は、本製造方法の後続の工程を示す断面図である。導電キャリア５が、接着バリアメタル層１４で覆われる。例示的実施形態では、導電キャリアは、単結晶シリコンウェーハであり、接着バリアメタル層１４は、厚さ２００ｎｍのチタンの層である。金は、一般的に、シリコンには良好に接合しないが、チタンは良好に接合するため、チタン層１４が、導電性シリコンキャリア１５に接合するために提供されることにより、後続の金のサブレイヤー（接合金属層１３の一部）が、同様にチタンに接合することができる。この接着機能に加えて、チタンはまた、錫及び金がシリコン表面に拡散して、接着を劣化させることを防止するためのバリアとしても機能する。別の実施例では、接着／バリアメタル層１４はまた、チタンの上に配置される白金の層も含む。

次いで、厚さ５００ｎｍの金のサブレイヤーが、接着バリアメタル層１４上に形成され、厚さ３０００ｎｍの金／錫のサブレイヤーが、その金のサブレイヤー上に形成される。この厚さ３０００ｎｍの金／錫のサブレイヤーは、８０重量パーセントの金、及び２０重量パーセントの錫である。これらの金／錫のサブレイヤーは、図９に関連して上述された、３つのサブレイヤーのサンドイッチ金属構造１３のうちの、他の２つのサブレイヤーである。

導電キャリア１５、バリアメタル層１４、並びに金及び金／錫のサブレイヤー１３は全体で、キャリアウェーハ構造６８である。シリコン基板１、及びその上に形成される層は全体で、素子ウェーハ構造６９である。キャリアウェーハ構造６８は、金で覆われた素子ウェーハ構造６９の上面に、ウェーハボンディングされる。

図１２は、使用される熱圧縮ウェーハボンディングプロセスの温度サイクルを示すグラフである。キャリアウェーハ構造６８は、約５０ポンド毎平方インチの圧力で、素子ウェーハ構造６９に押し付けられ、それらの一体に押し付けられたウェーハは、少なくとも２８０℃まで加熱される。特定の実施例では、ウェーハは、３１０℃まで加熱される。ウェーハは、均一な融点が、ウェーハの全体にわたって存在することを確実にするために、１分超の間、この高温で維持される。特定の実施例では、この高温は、５分間維持される。共晶の金／錫のサブレイヤーが融解することにより、キャリアウェーハ構造６８を、素子ウェーハ構造６９にウェーハボンディングする。このウェーハボンディングは、図１１の矢印７０によって表される。２０パーセントの錫濃度では、金／錫のサブレイヤーは、約２８２℃の融点を有する。しかしながら、金／錫のサブレイヤーが融解すると、錫の一部は、このサブレイヤーから、金／錫のサブレイヤーの両側上の金のサブレイヤー内に拡散するそれゆえ、金／錫のサブレイヤー中の錫の濃度が減少する。より低い錫の濃度を有する、金／錫の層は、より高い融点を有する。金／錫の合金中で、錫濃度が１パーセント減少するごとに、その金／錫の合金の融点は、約３０℃上昇する。したがって、このウェーハボンディングプロセスが遂行された後、金／錫のサブレイヤー中の錫の濃度は減少して、２０パーセントを下回り、そのウェーハ接合構造全体は、その後、金／錫のサブレイヤーを融解させることなく、２８２℃まで、その温度を上昇させることができる。

図１３は、本製造方法の後続の工程を示す。得られたウェーハ接合構造７１が、矢印７２によって示されるように反転される。

図１４は、本製造方法の後続の工程を示す。シリコン基板１、バッファ層２、及びテンプレート層３が、矢印７３によって示されるように、ウェーハ接合構造７１から除去される。本実施例では、これらの層は、ＬＲＬ４のＧａＮサブレイヤーの１つが、その構造の頂部に存在して露出するように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）及び反応性イオンエッチング（RIE：Reactive Ion Etching）の技術を使用して除去される。ｎ形ＧａＮ層５の全体は、ウェーハ接合構造７１の一部として残される。層５内部のＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在サブレイヤーの導電率により、ｎ形ＧａＮ層５は、歪み緩和層とｎ形層との界面から、ｎ形ＧａＮ層の全体を通して、ｎ形層／ＬＲＬ界面まで導電性である。ＡｌＮ介在サブレイヤーを使用するのではなく、ＡｌＧａＮ：Ｓｉを介在サブレイヤーとして使用する有利点は、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在サブレイヤーが導電性であることである。ｎ形層を通じて導電率を提供するために、図１３の工程で除去しなければならない、ｎ形ＧａＮ層内部の非導電性の介在ＡｌＮサブレイヤーは存在しない。むしろ、ｎ形ＧａＮ層５の全体が、完成青色ＬＥＤ装置内に残存ずる。

図１５は、ウェーハ接合構造７１の見下ろし図である。図１４に示すような、層１、２、及び層３の除去に加えて、ウェットエッチングを使用して、水平及び垂直のストリートを、封入層１１に至るまでエッチングすることにより、メサ構造の横列及び縦列の２次元配列が形成される。参照番号７５、７６、及び参照番号７７は、そのような３つのストリートを特定する。参照番号７８及び参照番号７９は、メサ構造のうちの２つを特定する。

図１６は、切断線Ｂ−Ｂに沿った、図１５の構造の断面図である。チタンの非反応性バリア層１２は、斜め平行線で示される。非反応性バリア層１２は、厚さ５０ｎｍ超の、チタンの単一層であり、サブレイヤー、白金、及びタングステンを含まない。高反射層１０の銀は、封入層１１によって、メサの下から横方向に外れて移動することをブロックされる。高反射層１０の銀は、ｐ形ＧａＮ層８の底面（メサの底部）によって、頂部から封じ込められる。

図１７は、本製造方法の後続の工程を示す。各メサの頂部の、露出したＬＲＬ４の上面は、粗化される。この粗化は、ＬＥＤ装置からの光の脱出を促進するために、通例的に実行されるタイプの粗化である。この粗化は、実際には、図１７に示すものよりも激しいものである。この粗面の、最も高いピーク点から最も深い谷部までの垂直距離は、約５００ｎｍであるため、最も深い谷部は、ｎ形層５内へと下方に延びる。ＬＲＬは、貫通されないことが望ましいため、別の実施例では、除去される材料の量は、好ましくは、シリコン基板、及びバッファ層の一部の除去に限定される。

図１８は、本製造方法の後続の工程を示す。第２電極１６が、図示のように、導電キャリア１５上に形成される。一実施例では、第２電極１６は、導電キャリア１５と直接接触する、第１の厚さ２０ｎｍのニッケルサブレイヤーを含み、また、そのニッケルサブレイヤーを覆う、第２の厚さ２００ｎｍの金層も含む。第２電極１６は、それゆえ、厚さ２２０ｎｍである。

更には、図１８は、図示のように、ＬＲＬ４の上面上に第１電極１７を形成する、後続の工程を示す。一実施例では、第１電極１７は、ＬＲＬ４上に直接配置される、厚さ２０ｎｍのチタンのサブレイヤーと、そのチタンサブレイヤー上に配置される、厚さ１００ｎｍのアルミニウムのサブレイヤーと、そのアルミニウムサブレイヤー上に配置される、厚さ２０ｎｍのニッケルのサブレイヤーと、そのニッケルサブレイヤー上に配置される、厚さ２００ｎｍの金のサブレイヤーとを含む。第１電極１７は、それゆえ、厚さ約３４０ｎｍである。ＬＲＬ４のＧａＮサブレイヤー中のドーパント濃度は、金属１７とＬＲＬ４との間に良好なオーミック接触が形成される、十分に高いものである。

第１電極及び第２電極が、図１８に示すように追加された後、ウェーハ接合構造は、個別の青色ＬＥＤ装置へと個片化される。個片化は、各メサ構造が個別の青色ＬＥＤ装置となるように、のこぎりで、ウェーハ接合構造を、図１５に示すストリートで切断することによって実行される。例示的実施形態では、次いで、得られた青色ＬＥＤ装置のうちの１つが、図１〜３の白色ＬＥＤアセンブリ内に組み込まれる。第２電極１６は、銀エポキシ１８の層を使用して、図３に示すように、金属コアＰＣＢ１９に接着される。第１金属電極１７は、図示のように、ボンドワイヤ６４を介して、金属コアＰＣＢ１９の第２金属構造５９にワイヤボンディングされる。ワイヤボンディングの後、その構造上に、シリコーンの保持リング２０が、シルクスクリーニングによって形成される。あるいは、保持リング２０は、正しい寸法に切り出されて成形され、次いで適用される。リング２０は、高さ０．５〜３．０ｍｍ、及び幅０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。シリコーンが硬化した後、一定量の蛍光体２１が、青色ＬＥＤ装置５４上に滴下されることにより、リング２０によって保持される。蛍光体２１を硬化させることにより、完成白色ＬＥＤアセンブリ５０が形成される。

図１９は、本製造方法の各工程についての詳細を記載する表である。表の左縦列内の数字は、白色ＬＥＤアセンブリ５０の様々な層に関する参照番号である。

図２０は、図６〜１８に関連する上記の製造方法によって形成されるが、ただし図１３に示される除去工程で、全てのＬＲＬ４が除去される、青色ＬＥＤ装置１００の断面図である。ｎ形層５の全て、又は実質的に全てが、完成青色ＬＥＤ装置１００内に残存する。図１７は正確な縮尺ではなく、むしろ概念図である。

図２１は、図６〜１８に関連する上記の製造方法によって形成されるが、ただし図１３に示される除去工程で、全てのＬＲＬ４が除去され、かつｎ形層５の一部が除去される、青色ＬＥＤ装置２００の断面図である。ｎ形層の薄い介在サブレイヤーの全てが除去され、最後の厚さ９００ｎｍのＧａＮサブレイヤーのみが残される。この最後のＧａＮサブレイヤーは、完成青色ＬＥＤ装置２００内に残存する。図１８は正確な縮尺ではなく、むしろ概念図である。

図２２は、第１の新規態様による、方法３００のフローチャート図である。超格子構造が、シリコン基板の上に形成される（工程３０１）。この超格子構造は、複数の周期を含む。各周期は、厚さ３００ｎｍ未満であり、ＧａＮサブレイヤーを含む。一実施例では、バッファ層が、シリコン基板上に形成され、このバッファ層上に、テンプレート層が形成され、超格子構造は、そのテンプレート層上に形成される。次に、ｎ形ＧａＮ層が、超格子構造上に直接形成される（工程３０２）。インジウムを含有する活性層が、ｎ形層の上に形成される（工程３０３）。ｐ形ＧａＮ層が、活性層の上に形成される（工程３０４）。シリコン基板、超格子構造、ｎ形層、活性層、及びｐ形層は全体で第１構造である。導電キャリアが、この第１構造に接合され（工程３０６）、それにより第２構造が形成される。次いで、この第２構造からシリコン基板が除去され（工程３０６）、それにより第３構造が形成される。電極が、この第３構造上に形成される（工程３０７）。次いで、第３構造が個片化され（工程３０８）、それにより青色ＬＥＤ装置が形成される。

特定の具体的実施形態が、指示目的のために上述されているが、本特許文書の教示は、一般的な適用性を有するものであり、上述の具体的実施形態に限定されるものではない。ＬＲＬ４は、数多くの異なる好適な方式で作製することができる。一実施例では、ＬＲＬ４は周期を含み、各周期は、第１の窒化アルミニウムガリウム層、及び第２の窒化アルミニウムガリウム層を含み、この２つのサブレイヤー中のアルミニウム濃度は、互いに異なる。２つのサブレイヤーの組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮによって与えられ、式中、ｘ及びｙは、異なる非ゼロの数である。ＬＲＬの窒化アルミニウムガリウムサブレイヤーと窒化ガリウムサブレイヤーとが、異なる厚さである、具体的実施例が上述されているが、他の実施例では、それらのサブレイヤーは、実質的に同じ厚さである。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子又はＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子では、アルミニウムを含有する１つのサブレイヤー中の、アルミニウム濃度を等級付けることができる。このＬＲＬは、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ超格子とすることができる。このＬＲＬは、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子とすることができ、各周期は、３つのサブレイヤーを含む。

ウェーハボンディング後に、銀エポキシを使用して金属コアＰＣＢに接着されることにより、完成白色ＬＥＤアセンブリを形成する、ＬＥＤ装置に関連して、非反応性バリアメタル層を伴うウェーハボンディングプロセスが上述されているが、このウェーハボンディングプロセスは、ダイアタッチメント（die attachment）のための金／錫層がＬＥＤに提供される場合に、使用可能である。ウェーハボンディング中の、金属接合層１３の金／錫サブレイヤー中の、錫濃度の減少により、金属接合層１３の融点は、ウェーハボンディングプロセスが実行された後には、２８０℃よりも高い。したがって、完成ＬＥＤ装置は、そのＬＥＤ装置自体の内部の金属接合層１３を融解させることなく、ダイアタッチメントの目的のために提供される、一定量の金／錫を融解させるための、十分に高い温度まで加熱することができる。共晶層が金／錫層である実施例に関連して、ウェーハボンディングプロセスが上述されているが、このウェーハボンディングプロセスは、金／錫共晶層が必要とされることに限定されるものではない。他の実施例では、共晶層は、例えば、金／インジウム金属層、及びパラジウム／インジウム金属層などの、金属層のタイプである。銀封入層が白金である実施例に関連して、ウェーハボンディングプロセスが上述されているが、ニッケル及びロジウムなどの、他の封入層を採用することもできる。

図２３は、第２の新規態様による、方法４００のフローチャート図である。エピタキシャルＬＥＤ構造を、非ＧａＮ基板上に成長させる（工程４０１）。この非ＧａＮ基板は、一実施例では、シリコン基板であり、適切な介在バッファ層及びテンプレート層が採用される。次いで、銀層が、エピタキシャルＬＥＤ構造の上に提供され（工程４０２）、反射鏡として機能し、かつエピタキシャルＬＥＤ構造に対するオーミックコンタクトとして機能する。封入層が、銀層の上に提供される（工程４０３）。一実施例では、この封入層は、厚さ２００ｎｍ未満の白金の単一層である。非反応性バリアメタルの層が、封入層の上に提供され（工程４０４）、それにより素子ウェーハ構造が形成される。一実施例では、この非反応性バリアメタル層は、厚さ５０ｎｍ超の、チタンの単一層である。この単一層のチタン層は、実質的にタングステンを含まない。

キャリアウェーハ構造は、導電キャリアを含む。導電キャリアは、導電性シリコンウェーハとすることができる。次いで、キャリアウェーハ構造は、素子ウェーハ構造に、それらの２つのウェーハ構造の間の共晶金属層を融解させることによってウェーハボンディングされ（工程４０５）、それによりウェーハ接合構造が形成される。一実施例では、この共晶金属層は、約２８２℃の融点を有する、金／錫サブレイヤーを含む。この共晶金属層は、キャリアウェーハ構造の温度を、２８０℃超まで（例えば、３１０℃まで）上昇させ、１分超の間、この高温を維持することによって融解される。

一実施例では、キャリアウェーハ構造の温度は、共晶接合金属層の同じ組成の、一定量の金／錫を、完全装填された炉チャンバ内に定置して、その金／錫が融解することが観察されるまで、炉チャンバの設定値を徐々に上昇させることによって、間接的に判定することができる。この設定値は、２８２℃のキャリア素子ウェーハの温度に対応することが想定される。次いで、炉チャンバの設定値を、３０℃の炉チャンバの温度の上昇に対応することが既知の、追加量で上昇させる。ウェーハボンディングプロセスは、炉チャンバ内部のウェーハ接合構造の温度を、実際に直接測定することなく、少なくとも１分間、この上昇された炉チャンバの設定を使用することによって実施される。

ウェーハボンディングの後、得られたウェーハ接合構造の、非ＧａＮ基板が除去される（工程４０６）。電極が、ウェーハ接合構造上に形成され（工程４０７）、そのウェーハ接合構造が個片化されることにより、複数の青色ＬＥＤ装置が形成される（工程４０８）。方法４００の一実施例では、完成青色ＬＥＤ装置内の、あらゆる白金層の合計の厚さは、２００ｎｍ未満であり、高温の接合金属融解サイクル（キャリアウェーハ構造の温度が２８０℃を超えるとき）は、１分超である。

図２４は、第３の新規態様による、バッファ層として硫化亜鉛（ＺｎＳ）を使用して、シリコン基板上にＬＥＤ装置を製造する方法の、フローチャート図である。硫化亜鉛（ＺｎＳ）層が、シリコン基板を覆って、シリコン基板上に直接形成される（工程５０１）。一実施形態では、このＺｎＳ層は、シリコン基板上に形成されるバッファ層であり、次いで、テンプレート層が、そのバッファ層上に形成される。任意選択的に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が、硫化亜鉛層の上に形成され、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層が、その窒化アルミニウム層の上に形成される。これらのＺｎＳ層、ＡｌＮ層、及びＡｌＧａＮ層は、バッファ層を形成する。次に、ｎ形ＧａＮ層が、テンプレート層の上に形成される（工程５０２）。インジウムを含有する活性層が、ｎ形層の上に形成される（工程５０３）。ｐ形ＧａＮ層が、活性層の上に形成される（工程５０４）。ｎ形層、活性層、及びｐ形層は全体で、エピタキシャルＬＥＤ構造である。シリコン基板、ＺｎＳ層、及びエピタキシャルＬＥＤ構造は全体で、第１構造である。一実施例では、この第１構造は、図１１の素子ウェーハ構造６９である。次いで、導電キャリアが、第１構造に接合され（工程５０５）、それにより第２構造が形成される。一実施例では、このキャリアは、図１１のキャリアウェーハ構造６８などの、キャリアウェーハ構造の一部である。次いで、この第２構造から、最初のシリコン基板及びＺｎＳ層が除去され（工程５０６）、それにより第３構造が形成される。電極が、この第３構造上に形成される（工程５０７）。次いで、第３構造が個片化され（工程５０８）、それにより青色ＬＥＤ装置が形成される。

図２５は、第４の新規態様による、シリコン基板上に青色ＬＥＤ装置を製造する方法のフローチャート図である。この青色ＬＥＤ装置は、複数の導電性の介在サブレイヤーを有するｎ形窒化ガリウム層を有する。ｎ形層が、シリコン基板の上に形成される（工程６０１）。ｎ形層は複数の周期を含み、このｎ形層の各周期は、窒化ガリウム（ＧａＮ）サブレイヤー、及びシリコンでドープされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ：Ｓｉ）介在サブレイヤーを含む。このＡｌＧａＮ：Ｓｉ介在サブレイヤーは、シリコンでドープされ、電子伝導性である。次に、インジウムを含有する活性層が、ｎ形層の上に形成される（工程６０２）。ｐ形ＧａＮ層が、活性層の上に形成される（工程６０３３）。シリコン基板、ｎ形層、活性層、及びｐ形層は全体で第１構造を形成する。導電キャリアが、第１構造に接合され（工程６０４）、それにより第２構造が形成される。次いで、この第２構造から、シリコン基板が除去され（工程６０５）、それにより第３構造が形成される。電極が、この第３構造上に形成される（工程６０６）。次いで、第３構造が個片化され（工程６０７）、それにより青色ＬＥＤ装置が形成される。

したがって、説明される実施形態の様々な特徴の、様々な修正、応用、及び組み合わせは、特許請求の範囲に記載されるような、本発明の範囲から逸脱することなく、実践することができる。

Claims (16)

1. 基板と、
   前記基板に隣接し、錫のマイグレーションを防ぐ第１チタニウム層を含む第１バリアメタル層と、
   前記第１チタニウム層に接し、前記錫を含む接合層と、
   前記接合層に接し前記錫のマイグレーションを防ぐ第２チタニウム層を含む非反応性の第２バリアメタル層と、
   前記第２バリアメタル層に隣接し、銀のマイグレーションを防ぐ白金層を含む封入層と、
   前記封入層により封じられ、前記銀を含む反射層と、
   前記反射層に隣接した電流ブロッキング層と、
   前記反射層および前記電流ブロッキング層に隣接し、ｐ形層とｎ形層との間に活性層を有する発光構造と、
   を備えた発光装置。
2. 前記封入層は、ニッケルを含む請求項１記載の発光装置。
3. 前記接合層は、複数の層を含み、
   前記複数の層のうちの１つは、第１の金属材料と、錫を含有する第２の金属材料と、を含む第１の金属層である請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記接合層は、前記第１の金属材料からなる第２の金属層と、前記第１の金属材料からなる第３の金属層と、をさらに含み、
   前記第１の金属層は、前記第２の金属層と前記第３の金属層との間に設けられる請求項３に記載の発光装置。
5. 前記ｎ形層は、第１ＧａＮ層、第２ＧａＮ層、および、前記第１ＧａＮ層と前記第２ＧａＮ層との間の介在層を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。
6. 前記介在層は、シリコンをドープしたＡｌＧａＮ層を含む請求項５記載の発光装置。
7. 前記介在層は、前記第１ＧａＮ層よりも薄く、前記第２ＧａＮ層よりも薄い請求項５または６に記載の発光装置。
8. 前記介在層は、６．２ｅＶ未満のバンドギャップを有する請求項５〜７のいずれか１つに記載の発光装置。
9. 前記ｎ形層は、複数の前記介在層を含む請求項５〜８のいずれか１つに記載の発光装置。
10. 接合層を溶融させることによりデバイス構造を有するウェーハに基板を接合し、ウェーハ接合構造を形成する発光装置の製造方法であって、
    前記ウェーハ接合構造は、
    前記基板に隣接し、錫のマイグレーションを防ぐ第１チタニウム層を含む第１バリアメタル層と、
    前記第１チタニウム層に接し、前記錫を含む接合層と、
    前記接合層に接し前記錫のマイグレーションを防ぐ第２チタニウム層を含む非反応性の第２バリアメタル層と、
    前記第２バリアメタル層に隣接し、銀のマイグレーションを防ぐ白金層を含む封入層と、
    前記封入層により封じられ、前記銀を含む反射層と、
    前記反射層に隣接した電流ブロッキング層と、
    前記反射層および前記電流ブロッキング層に隣接し、ｐ形層とｎ形層との間に活性層を有する発光構造と、
    を有する発光装置の製造方法。
11. 前記接合層を溶融し、前記ウェーハ接合構造を形成するために、前記基板の温度を、摂氏２８０度を超えるまで上昇させ、１分を超える時間の間、摂氏２８０度を超えた前記温度を維持する請求項１０記載の発光装置の製造方法。
12. 前記発光構造は、シリコン基板上に配置され、
    前記活性層は、インジウム及びガリウムを含み、
    前記接合層は、金を含む請求項１０または１１に記載の発光装置の製造方法。
13. 前記接合層は、金の第１サブレイヤー、金／錫の第２サブレイヤー、及び金の第３サブレイヤーを含む請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の発光装置の製造方法。
14. 前記発光構造と前記基板との間の白金のトータル厚さが２００ナノメートル未満である請求項１０〜１３のいずれか１つに記載の発光装置の製造方法。
15. 前記接合層は複数の層を含むように形成され、
    前記複数の層のうちの１つは、第１の金属材料と、前記錫を含む第２の金属材料と、を含む第１の金属層である請求項１０〜１４のいずれか１つに記載の発光装置の製造方法。
16. 前記接合層は、前記第２の金属層、前記第３の金属層、および、前記第２の金属層と前記第３の金属層との間の前記第１の金属層と、を含む請求項１５記載の発光装置の製造方法。