JPH09116191A - 発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイオードを個別化した後の追加的なプロセ
スステップを省略することができる、つや消しにした表
面を有する発光ダイオードの製造方法を提供する。 【解決手段】 基板（１）を準備し；放射を発生するｐ
ｎ−接合部を含む層系列（２ａ，２，３）を基板（１）
上に製造し；放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列
（２ａ，２，３）の表面及び基板（１）の裏側に接触層
（５，６，７；８）を製造し；接触層（５，６，７；
８）を熱処理する、方法ステップを含む、発光ダイオー
ドの製造方法において、放射を発生するｐｎ−接合部を
含む層系列（２ａ，２，３）の表面を、接点層（５，
６，７）を堆積する前につや消しにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板を準備し；放
射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列を基板上に製造
し；放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列の表面及
び基板の裏側に接触層を製造し；接触層を熱処理する、
方法ステップを含む、発光ダイオードの製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】緑を発光する発光ダイオードは、（１１
１）配向されたリン化ガリウムから製造される。リン化
ガリウムは、間接半導体なので、収量は、相応した組成
の際に直接バンド遷移も可能な混合結晶系よりも低い。
内部量子収量の材料特性及び放射の生じた際にダイオー
ドの内部から生じる損失によって決まる外部量子収量
は、ＧａＰダイオードの場合、０．３％より多くはなら
ない。

【０００３】ダイオードの粗悪な収量の原因は、半導体
表面における全反射のため、ダイオード本体から出るこ
とができない多くの放射成分である。このことは、半導
体材料の大きな光学屈折率によって引起こされる。これ
は、リン化ガリウムについてほぼ３．４にある。それに
より、空気への放射の移行の際に１７．７゜の全反射の
臨界角が生じる。直接経路において、境界面における表
面法線に対してそれより小さな角度をなす放射の成分だ
けしか出力結合されない。その他の成分は、ダイオード
本体内に反射返送される。反射返送された放射の大部分
は、半導体部材内及び金属接点における吸収によって消
滅する。それ故に、放射の出力結合の改善を配慮すれ
ば、収量はかなり増加することができる。

【０００４】放射出力結合の改善は、基本的に種々の処
置によって達成することができる。ドイツ連邦共和国特
許出願公開第４２１３００７号明細書において、反射を
減少するλ／４の厚さのコーティングを行なうことによ
って全反射の臨界角を増大するため、方法が記載されて
いる。

【０００５】ヨーロッパ特許第４０４５６５号明細書に
よれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、ＧａＡｌＡｓ
からなる放射放出ダイオードを製造する方法が公知であ
り、この方法において外部量子収量を改善するため、半
導体チップの表面全体が粗くされている。粗面化又はつ
や消しは、ダイオードの個別化の後に行なわれる。つや
消しによりダイオードチップと回りの材料との間の境界
面における発生された放射の全反射は、大部分回避さ
れ、半導体材料内における光経路は短縮され、かつそれ
により再吸収の確率は減少する。同時に、ダイオードの
実効表面積が増加し、それにより一層多くの放射が、ダ
イオードの内部から出ることができる。しかしながらエ
ッチングされた接触層構造に基づいて、ダイオードチッ
プは、組立の際にきわめて粗悪にしかボンディングでき
ないことは、公知の方法において不利である。その上、
接触層構造のためにエッチングに抗する材料を利用しな
ければならない。さらに放射放出接合部の範囲における
表面のエッチングは、ダイオードの寿命の短縮を引起こ
す。

【０００６】ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３０５
２９６号明細書によれば、つや消しにされた側縁を有す
る放射放出ダイオードの製造方法が公知である。つや消
しは、基板ウエハの分割後に行なわれる。ダイオード
は、裏側に取付けられた支持体フィルムによって結合し
て保持される。二酸化シリコンからなる層は、接触面、
ダイオードの前側、及びここにおいて表面に生じるｐｎ
−接合部を含むメサ側面を、エッチング作用から保護す
る。二酸化シリコンは、つや消しの後に再び取り除かな
ければならない。保護層の取付け及び取り除き、及び支
持体フィルムの接着は、公知の方法をきわめて手間のか
かるものにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ダイ
オードを個別化した後の追加的なプロセスステップを省
略することができる、つや消しにした表面を有する発光
ダイオードの製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題は、基板を準備
し；放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列を基板上
に製造し；放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列の
表面及び基板の裏側に接触層を製造し；接触層を熱処理
する、方法ステップを含む、発光ダイオードの製造方法
において、放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列の
表面を、接点層を堆積する前につや消しにすることによ
って解決される。本発明の有利な構成は、従属特許請求
の範囲の特徴にしたがって行なわれる。

【０００９】本発明に結び付いた利点は、とくに前側接
点を製造する前に、発光ダイオードの表面がつや消しに
されている点にある。つや消しは、ウエハ結合中に行な
われる。前側接触層は、ダイオードの機能に欠点を伴う
ことなく、つや消し表面上に製造することができる。し
たがってアルミニウムのようなあまりエッチング耐性の
ない接触金属の利用も可能である。

【００１０】加えてつや消しプロセスは、特別の予防処
置なしに、実験室環境において比較的低い温度で行なう
ことができるように構成されている。その際、エッチン
グ溶液の組成は、一連の実験によって次のように決定さ
れた。すなわち（１１１）配向されたリン化ガリウムの
つや消しの際に生じる構造は、従来の媒体から知られて
いた鋭い先端を特徴とするピラミッド型を持たないよう
に決定された。処理の際、１μｍ以下の粗れ深さを有す
る細かくつや消しにされた表面が生じる。このことは、
そうしない場合に、つや消しにした表面上にある接点の
線材ボンディングが、半導体結晶に破損を生じ、かつダ
イオードの故障を生じる結果となり、かつダイオードの
組立可能性が保証されなくなるので、重要である。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施例を図面により
詳細に説明する。

【００１２】図１に示された発光ダイオードは、（１１
１）配向されたリン化ガリウム（ＧａＰ）からなる半導
体基板１からなる。例えばテルル又は硫黄によってドー
ピングされたｎ−導電ＧａＰ基板１上に、第１のエピタ
キシー層２として同様にｎ−導電ＧａＰ層が、エピタキ
シャルに取付けられている。第１のエピタキシー層２
は、基板のようにテルル又は硫黄によってドーピングさ
れている。ドーピング材料の濃度は、基板材料において
有利にはほぼ２−６・１０ｅｘｐ（１７）ｃｍ−３にあ
り、かつ第１のエピタキシー層２において有利にはほぼ
１・１０ｅｘｐ（１６）ｃｍ−３にある。エピタキシー
層を製造するため、気相（ＶＰＥ）及び液相エピタキシ
ー法（ＬＰＥ）が考慮される。しかし現在ほぼもっぱら
液相エピタキシー（ＬＰＥ）が使用される。第１のエピ
タキシー層２上に、ｐ−導電、なるべく亜鉛でドーピン
グされたＧａＰからなる第２のエピタキシー層３が取付
けられており、このエピタキシー層は、本実施例におい
て発光ダイオードのｐ−導電側を形成している。ドーピ
ング材料の濃度は、第２のエピタキシー層３において有
利にはほぼ２・１０ｅｘｐ（１８）ｃｍ−３にある。

【００１３】基板１と第１のエピタキシー層２との間に
配置されたｎ−導電バッファ層２ａを有するダイオード
は、なお一層高い収量を達成する。バッファ層２ａは、
本実施例においてなるべく硫黄によりドーピングされて
おり、その際、ドーピング材料の濃度は、ほぼ５・１０
ｅｘｐ（１６）ｃｍ−３の範囲にある。

【００１４】黄緑に発光する発光ダイオードのため、エ
ピタキシー層２及び３は、ｐｎ−接合部の回りにおいて
追加的に窒素によりドーピングされており、それにより
等電子中心を発生し、かつこのようにして放射再結合に
関する遷移確率を高め、かつ同時に放射波長のシフトを
達成するようにする。窒素の濃度は、ほぼ１・１０ｅｘ
ｐ（１９）ｃｍ−３であるようにする。

【００１５】ｐ−導電エピタキシー層３の表面４全体
は、光出力結合を改善するために、つや消しにされてい
る。つや消しにされた表面の粗れ深さは、ダイオードが
ボンディング可能であり、かつ組立の際に損傷しないよ
うにするため、１μｍの上側値を越えてはいけない。

【００１６】つや消しにした表面上に接触層装置５、
６、７がある。これらは、その下にある半導体とともに
オーム接触を形成している。接触層装置５、６、７は、
複数の接触層からなる。第１の接触層５は、本実施例に
おいて金−亜鉛又は金−ベリリウムからなる。その上に
第２の接触層６が配置されている。これは、拡散障壁と
して使われ、チタン−タングステン−窒化物からなる。
拡散障壁の上にアルミニウムからなる第３の接触層７が
配置されている。アルミニウム層７は、第１の接触層５
を強化し、かつ後で組立る際のダイオードの良好なボン
ディング能力を配慮している。

【００１７】チタン−タングステン−窒化物からなる第
２の接触層６とアルミニウムからなる第３の接触層７と
からなる組合せの代わりに、第１の接触層５上に金から
なる１つの接触層だけを配置してもよい。

【００１８】第３の接触層７は、アルミニウムからなる
代わりに、ＡｌＳｉ合金からなることもできる。ＡｌＳ
ｉ合金は、純粋なアルミニウムより腐食に対して耐性を
有する。

【００１９】ウエハの裏側のｎ−導電半導体表面におけ
る金属被覆は、なるべく金−ゲルマニウム層８からな
る。その際、目的に合うように、必然的でないとして
も、ダイオードの裏側は、一部だけ金属被覆されてい
る。

【００２０】図２ａないし２ｄは、その製造の方法の主
要部分ステップの後の発光ダイオードの横断面を示して
いる。まず（１１１）配向されたリン化ガリウムからな
るｎ−導電基板ウエハ１上に、第１及び第２のエピタキ
シャルＧａＰ層２、３が形成される。両方のエピタキシ
ャル層は、放射を発生するｐｎ−接合部を含み／形成す
る。図２ａに、製造のこの段階の後に両方のエピタキシ
ャル層２、３を有する基板ウエハ１が示されている。エ
ピタキシー層は、溶融物からの成長の間にドーピングさ
れる。第１のエピタキシー層はｎ−導伝であり、第２の
エピタキシー層はｐ−導伝である。

【００２１】それに続くプロセス段階においてまだ接触
層を堆積しないうちに、表面はつや消しにされる。それ
故に接触層のために、例えばアルミニウムのようなあま
りエッチング耐性のない金属を使用することもできる。

【００２２】つや消しプロセスは、特別な予防処置なし
に通常の実験室環境において比較的低い温度で行なうこ
とができるように構成されている。アルカリ洗浄媒体に
よる基本的な洗浄及びわずかに除去する追加的なエッチ
ング（ほぼ１μｍの除去）の後に、ＧａＰ半導体ウエハ
は、それぞれ同じ容積割合のＨ３ＰＯ４、ＨＣｌ、及び
ＣＨ３ＣＯＯＨからなる混合物においてつや消しにされ
る。それぞれ濃縮された酸が使用される。つや消しエッ
チングの温度は、２５及び４０°Ｃの間にある。半導体
ウエハは、つや消しエッチングにおいてほぼ５−１０分
の期間にわたって維持される。その際、つや消しエッチ
ングの組成及び低い温度により、健康に危険なかつ腐食
を引起こす蒸気は生じないので、つや消しが、開いた槽
において行なうことができることは有利である。エッチ
ングの期間は、半導体ウエハ上に１μｍ以下にある粗れ
深さを有する細かくつや消しにした表面４が生じるよう
に選択されている。図２ｂにこのプロセス段階の後のＧ
ａＰ半導体ウエハが示されている。

【００２３】この時、半導体ウエハは、所定の部分範囲
においてＰ−導電ウエハ側のつや消しにされた表面４
に、金−亜鉛からなる第１の接触層５を有する。ダイオ
ードを後で組立る際に、接触層は、金又はアルミニウム
からなる１つ又は複数の細いボンディング線材によるボ
ンディング法により、ハウジングの接続ピンに接続さ
れ、かつ線材ボンディングの間に接触層及び半導体結晶
の破損を防止しなければならないので、第１の接触層５
は、１つ又は複数の別の接触層６、７によって強化され
る。その際、一般に強化層として、良好な取付け能力の
ために金よりもアルミニウムの方が優れている。金−亜
鉛からなる第１の接触層５と強化層として使われるアル
ミニウムからなる第３の接触層７との間に、拡散障壁と
して、なるべくチタン−タングステン−窒化物からなる
第２の接触層６が設けられており、この接触層は、接触
層装置の熱処理の間の金−亜鉛層（第１の接触層５）と
アルミニウム強化部（第３の接触層７）との相互合金化
を防止する。このプロセス段階の後の装置は、図２ｃに
示されている。アルミニウムの代わりに、第３の接触層
７の材料としてＡｌＳｉ合金を使用してもよい。ＡｌＳ
ｉ合金は、純粋なアルミニウムよりも耐腐食性を有す
る。

【００２４】ウエハプロセスの次の最後のステップにお
いて、ｎ−導電ウエハ裏側は、金属被覆８を有する。こ
の金属被覆は、全面的に行なうこともできるが、なるべ
く部分的に行なわれ、かつ例えば金−ゲルマニウムから
なる。前側及び裏側の接触層の堆積及び構造化の後に、
オーム特性を達成するために、温度プロセスにおいて接
触が熱処理される。このプロセスステップの後の装置
は、図２ｄに示されている。

【００２５】続いてダイオードは、半導体ウエハの分割
によって個別化され、かつその指定にしたがって組立ら
れる。

【００２６】図３の線図に、リン酸、塩酸及び酢酸の混
合物からなるエッチング溶液に関しかつ（１１１）−Ｇ
ａＰ表面に関して、エッチング時間と温度に関する材料
除去の関係が示されている。酸の容積割合は、１：１：
１に相当する。一連の実験によって、リン酸及び塩酸か
らなる混合物によれば、すでに室温よりわずかに上の温
度において（１１１）−ＧａＰの場合、ほぼ沸騰した濃
縮塩酸又はフッ化水素酸によるものと同様な強力な表面
粗面化が達成できることがわかった。しかしその際、リ
ン酸の高い粘度及び低いプロセス温度のため、妨害とな
る塩酸又はフッ化水素酸の蒸気は発生しない。大幅に拡
大して考察した場合、塩酸又はフッ化水素酸によって処
理された表面も、リン散、塩酸−混合物によって処理さ
れたものも、互いにすき間なく接続された規則的なピラ
ミッドによって密に覆われており、これらピラミッド
は、すべて鋭い先端において終わっていることがわかっ
た。リン酸、塩酸−混合物に酢酸を添加することによっ
て、この鋭角的なピラミッドの形成が避けられ、かつそ
の代わりに、１μｍ以下の粗れ深さを有する所望の細か
くつや消しにされた表面が生じる。図３の線図が示すよ
うに、エッチング溶液の除去はわずかである。５０゜Ｃ
の温度および３０分のエッチング時間の場合でさえ、平
均除去は、ほぼ５００ｎｍにすぎない。低い溶解速度
は、エッチング作用の際の抑制現象の存在の印である。
さらにエッチング深さは、エッチング時間の平方根に比
例するので、エッチング反応の少なくとも１つの部分ス
テップが拡散管理されていることが推論できる。おそら
く反応生成物の拡散除去が、エッチング速度を制限す
る。

【００２７】半導体基板ウエハの前側のつや消しによ
り、外部量子収量はほぼ２５％だけ増加することができ
る。図４に示された線図は、このことを示している。こ
こでは緑スペクトル範囲に対する従来のＧａＰ：Ｎ発光
ダイオードチップの導通電圧と光強度のデータが、つや
消しにされた前面を有するチップのものに対照されてい
る。２０ｍＡの導通電流の際の光強度は、８９５から１
１２９へ（任意の単位）２６％だけ増加することができ
る。同時に導通電圧は、２．２３Ｖから２．１９Ｖへ低
下した。さらにテストは、つや消しにした前面を有する
ダイオードの寿命が、従来のダイオードに対して害され
ていないことを明らかにした。

【００２８】発光ダイオードの前面をつや消しにする前
記の方法によれば、ダイオードの光収量をほぼ２５％だ
け増加することが可能である。つや消しエッチングは、
前側接触の前に行なわれるので、この方法は、接触材料
としてアルミニウムを使用しようとする場合でも、適用
することができる。さらにつや消しは、ダイオードの前
面に限定されており、かつ側面における電気的に活性な
ｐｎ−接合部は、表面に現われないので、この方法によ
りダイオードの寿命は害されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発光ダイオードを示す横断面図で
ある。

【図２】図１の発光ダイオードをその製造の第１、第
２、第３及び第４の段階において示す図である。

【図３】本発明によるエッチング溶液に対するエッチン
グ時間と温度に関する除去量の関係を示す図である。

【図４】従来のダイオードと比較してつや消しにした表
面を有するダイオードに関する黄緑に発光する窒素ドー
ピングしたＧａＰ−チップの導通電圧と光強度を示す図
である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２，２ａ，３ ｐｎ−接合部を含む層系列 ４ つや消し表面 ５，６，７，８ 接触層

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ・基板（１）を準備し； ・放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列（２ａ，
   ２，３）を基板（１）上に製造し； ・放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列（２ａ，
   ２，３）の表面及び基板（１）の裏側に接触層（５，
   ６，７；８）を製造し； ・接触層（５，６，７；８）を熱処理する、 方法ステップを含む、発光ダイオードの製造方法におい
   て、 放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系列（２ａ，２，
   ３）の表面を、接点層（５，６，７）を堆積する前につ
   や消しにすることを特徴とする、発光ダイオードの製造
   方法。
2. 【請求項２】 基板が、（１１１）配向されたリン化ガ
   リウムからなることを特徴とする、請求項１記載の方
   法。
3. 【請求項３】 放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系
   列（２ａ，２，３）が、リン化ガリウムからなることを
   特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系
   列（２ａ，２，３）の表面のつや消しが、リン酸、塩酸
   及び酢酸からなる混合物によって湿化学的に行なわれる
   ことを特徴とする、請求項１−３の１つに記載の方法。
5. 【請求項５】 リン酸：塩酸：酢酸の比が、１：１：１
   に相当することを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 つや消しにされた表面の粗れ深さが、１
   μｍ以下であることを特徴とする、請求項５記載の方
   法。
7. 【請求項７】 放射を発生するｐｎ−接合部を含む層系
   列（２ａ，２，３）の表面及び基板の裏側における接触
   層が、１つのプロセスステップにおいて熱処理されるこ
   とを特徴とする、請求項１−６の１つに記載の方法。
8. 【請求項８】 それぞれ同じ容積割合の濃縮されたリン
   酸Ｈ３ＰＯ４、濃縮された塩酸ＨＣｌ及び濃縮された酢
   酸ＣＨ３ＣＯＯＨからなる酸混合物を利用することを特
   徴とする、（１１１）方向に配向されたＧａＰ半導体ウ
   エハの表面をつや消しにする方法。
9. 【請求項９】 酸混合物が、２５゜Ｃないし４０゜Ｃの
   範囲内の温度を有することを特徴とする、請求項８記載
   の方法。
10. 【請求項１０】 酸混合物が、ほぼ３０゜Ｃの温度を有
    することを特徴とする、請求項８又は９記載の方法。
11. 【請求項１１】 半導体ウエハが、酸混合物内におい
    て、２−１５分の期間にわたってつや消しにされること
    を特徴とする請求項８−１０の１つに記載の方法。
12. 【請求項１２】 半導体ウエハが、酸混合物内におい
    て、ほぼ５分の期間にわたってつや消しにされることを
    特徴とする請求項８−１１の１つに記載の方法。