(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体であって、
１つのｎ型領域と、
１つのｐ型領域と、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に配置されるＩＩＩ族窒化物発光層と、
を備え、前記ＩＩＩ族窒化物発光層は、前記構造体において成長した、３．１９Åより大きな実際の格子定数をもち、
１つのホストと、
前記ホストに接合し、３．１９Åより大きな格子定数をもつＩｎＧａＮシード層と、
を有する基板を更に備え、
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記発光層は、前記ＩｎＧａＮシード層の上に成長させられることを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物発光層は歪みを含有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記発光層は３．２Åより大きな格子定数をもつことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
前記発光層は、４３０ｎｍと４８０ｎｍの間のピーク波長をもつ光を放射するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の構造体。
【請求項５】
前記発光層は３．２２Åより大きな格子定数をもつことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項６】
前記発光層は、４８０ｎｍと５２０ｎｍの間のピーク波長をもつ光を放射するように構成されることを特徴とする請求項５に記載の構造体。
【請求項７】
前記発光層は３．２３Åより大きな格子定数をもつことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項８】
前記発光層は、５２０ｎｍと５６０ｎｍの間のピーク波長をもつ光を放射するように構成されることを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項９】
前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域に電気的に接続するコンタクトをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１０】
１つのｎ型領域と、
１つのｐ型領域と、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に配置され、格子定数ａactualを有するＩＩＩ族窒化物発光層と、
を備え、
前記発光層と同じ組成をもつ緩和した独立した層は、格子定数ａfreestandingを有し、
（ａfreestanding−ａactual）／ａfreestandingは１％未満であり、
前記発光層は、４３０ｎｍと４８０ｎｍの間のピーク波長をもつ光を放射するように構成され、
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記ＩＩＩ族窒化物発光層は、１つのホストと、前記ホストに接合し、３．１９Åより大きな格子定数をもつＩｎＧａＮシード層とを有する基板上に成長されることを特徴とする構造体。
【請求項１１】
（ａfreestanding−ａactual）／ａfreestandingは０．５％未満であることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１２】
前記ｎ型領域に電気的に接続する第１のコンタクトと、
前記ｐ型領域に電気的に接続する第２のコンタクトと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１３】
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記発光層は半導体構造体に含まれ、
前記第１及び第２のコンタクトの１つが、前記半導体構造体の上側に形成され、
前記第１及び第２のコンタクトの別の１つが、前記半導体構造体の底側に形成されることを特徴とする請求項１２に記載の構造体。
【請求項１４】
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記発光層は半導体構造体に含まれ、
前記第１及び第２のコンタクトの両方が、前記半導体構造体の同じ側に形成されることを特徴とする請求項１２に記載の構造体。
【請求項１５】
１つのｎ型領域と、
１つのｐ型領域と、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に配置され、格子定数ａactualを有するＩＩＩ族窒化物発光層と、
を備え、
前記発光層と同じ組成をもつ緩和した独立した層は、格子定数ａfreestandingを有し、
（ａfreestanding−ａactual）／ａfreestandingは１．５％未満であり、
前記発光層は、４８０ｎｍと５２０ｎｍの間のピーク波長をもつ光を放射するように構成され、
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記ＩＩＩ族窒化物発光層は、１つのホストと、前記ホストに接合し、３．１９Åより大きな格子定数をもつＩｎＧａＮシード層とを有する基板上に成長されることを特徴とする構造体。
【請求項１６】
（ａfreestanding−ａactual）／ａfreestandingが１％未満であることを特徴とする請
求項１５に記載の構造体。
【請求項１７】
前記ｎ型領域に電気的に接続する第１のコンタクトと、
前記ｐ型領域に電気的に接続する第２のコンタクトと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の構造体。
【請求項１８】
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記発光層は半導体構造体に含まれ、
前記第１及び第２のコンタクトの１つが、前記半導体構造体の上側に形成され、
前記第１及び第２のコンタクトの別の１つが、前記半導体構造体の底側に形成されることを特徴とする請求項１７に記載の構造体。
【請求項１９】
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記発光層は半導体構造体に含まれ、
前記第１及び第２のコンタクトの両方が、前記半導体構造体の同じ側に形成されることを特徴とする請求項１７に記載の構造体。
【請求項２０】
１つのｎ型領域と、
１つのｐ型領域と、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に配置され、格子定数ａactualを有するＩＩＩ族窒化物発光層と、
を備え、
前記発光層と同じ組成をもつ緩和した独立した層は、格子定数ａfreestandingを有し、
（ａfreestanding−ａactual）／ａfreestandingは２％未満であり、
前記発光層は、５２０ｎｍと５６０ｎｍの間のピーク波長をもつ光を放射するように構成され、
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記ＩＩＩ族窒化物発光層は、１つのホストと、前記ホストに接合し、３．１９Åより大きな格子定数をもつＩｎＧａＮシード層とを有する基板上に成長されることを特徴とする構造体。
【請求項２１】
（ａfreestanding−ａactual）／ａfreestandingは１．５％未満であることを特徴とする、請求項２０に記載の構造体。
【請求項２２】
前記ｎ型領域に電気的に接続する第１のコンタクトと、
前記ｐ型領域に電気的に接続する第２のコンタクトと、
をさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の構造体。
【請求項２３】
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記発光層は半導体構造体に含まれ、
前記第１及び第２のコンタクトの１つが、前記半導体構造体の上側に形成され、
前記第１及び第２のコンタクトの別の１つが、前記半導体構造体の底側に形成されることを特徴とする請求項２２に記載の構造体。
【請求項２４】
前記ｎ型領域、前記ｐ型領域、及び前記発光層は半導体構造体に含まれ、
前記第１及び第２のコンタクトの両方が、前記半導体構造体の同じ側に形成されることを特徴とする請求項２２に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードなどの半導体発光デバイスに関し、具体的には、そのような発光デバイスをその上に成長させることのできる成長基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞型レーザ・ダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及び、エッジ発光型レーザを含む半導体発光デバイスは、現在入手可能な最も効率の良い光源の部類に入る。可視スペクトルの全域で動作可能な高輝度発光デバイスを製造する上で、最近の興味ある材料系には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の２成分、３成分、及び４成分合金がある。通常、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル法を用いて、サファイア、シリコン・カーバイド、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板上に、種々の組成とドーパント濃度をもった半導体層の積層をエピタキシャルに成長させることによって製造される。その積層体は、基板上に形成され、例えばＳｉでドープされた１つ又はそれ以上のｎ型層と、そのｎ型層上に形成される活性領域内の１つ又はそれ以上の発光層と、活性領域上に形成され、例えばＭｇでドープされた１つ又はそれ以上のｐ型層とを含むことが多い。電気的コンタクトは、ｎ及びｐ型領域上に形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
天然のＩＩＩ族窒化物の基板は一般に高価であり、広くは入手できないので、ＩＩＩ族窒化物デバイスはサファイア又はＳｉＣ基板上に成長させることが多い。そうした非ＩＩＩ族窒化物基板は、幾つかの理由で最適ではない。
第１に、サファイア及びＳｉＣは、それらの上に成長させたＩＩＩ族窒化物層とは異なる格子定数をもち、ＩＩＩ族窒化物デバイス層内に歪み及び結晶欠陥を生じ、これらが不十分な性能及び信頼性の問題を引き起こす可能性がある。
【０００４】
第２に、あるデバイスにおいては、例えばデバイスの光学特性を改善するために、又は成長基板上に成長させた半導体層への電気的経路を得るために、成長基板を除去することが望ましい。サファイア基板の場合には、成長基板は、サファイアと半導体層の間の界面にある、典型的にはＧａＮであるＩＩＩ族窒化物材料のレーザ解離によって除去することが多い。レーザ解離は半導体層内に衝撃波を生じ、これが半導体又はコンタクト層に損傷を与え、潜在的にデバイスの性能を劣化させる可能性がある。他の基板はエッチングなどの他の方法によって除去することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、半導体構造体は、ｎ型領域と、ｐ型領域と、そのｎ型領域とｐ型領域との間に配置されるＩＩＩ族窒化物発光層とを含む。ＩＩＩ族窒化物発光層は、３．１９Åより大きな格子定数をもつ。そのような構造体は、ホストとそのホストに接合したシード層とを含む基板上に成長させることができる。幾つかの実施形態においては、接合層がホストをシード層に接合させる。幾つかの実施形態においては、シード層は、半導体構造体内の歪みの緩和のための臨界厚さより薄くすることができ、その結果、半導体構造体内の歪みは、シード層内に形成される転位によって、又は、シード層と接合層の間を、それらの層の間の界面において滑らせることによって緩和される。幾つかの実施形態においては、半導体構造体内のシード層の格子定数と核生成層の格子定数との間の差は１％未満となる。幾つかの実施形態においては、ホストの熱膨張係数は、半導体構造体の少なくとも１つの層の熱膨張係数の少なくとも９０％となる。幾つかの実施形態においては、半導体構造体内の歪みを軽減するために、シード層内にトレンチが形成される。幾つかの実施形態においては、半導体構造体の全体にわたって接合層を選択的に攻撃するエッチングにより接合層をエッチング除去することによって、ホストを半導体構造体及びシード層から分離することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスなどの半導体発光デバイスが、図１に示されるように、複合成長基板１０の上に成長させられる。基板１０は、ホスト基板１２と、シード層１６と、ホスト１２をシード層１６に接合させる接合層１４とを有する。基板１０内の層の各々は、デバイス内の半導体層を成長させるのに必要な加工処理条件に耐えることのできる材料から形成される。例えば、ＭＯＣＶＤ法によって成長させるＩＩＩ族窒化物デバイスの場合には、基板１０内の層の各々は、Ｈ2雰囲気中で１０００℃を超える温度に耐えられなければならず、ＭＢＥ法により成長させるＩＩＩ族窒化物デバイスの場合には、基板１０内の層の各々は、真空中で６００℃を超える温度に耐えられなければならない。
【０００７】
ホスト基板１２は、基板１０と基板１０の上に成長させた半導体デバイス層１８とを機械的に支持する。ホスト基板１２は、通常３ミクロンと５００ミクロンの間の厚さをもち、１００ミクロンより厚いことが多い。ホスト基板１２がデバイスの部分として残る実施形態においては、光がデバイスからホスト基板１２を通して取り出される場合、ホスト基板１２は少なくとも部分的に透明にすることができる。デバイス層１８はホスト基板１２上に直接には成長させないので、ホスト基板１２は通常は単結晶材料である必要はない。幾つかの実施形態においては、ホスト基板１２の材料は、その熱膨張係数（ＣＴＥ）が、デバイス層１８のＣＴＥとシード層１６のＣＴＥとに適合するように選択される。エピタキシャル層１８の加工処理条件に耐えられる、半導体、セラミックス、及び金属を含む任意の材料は、本発明の実施形態に適切である可能性がある。デバイス層１８のＣＴＥに望ましく近いＣＴＥをもつが、ＭＯＣＶＤ法によるＩＩＩ族窒化物層の成長に必要な温度における昇華によって分解するＧａＡｓなどの材料は、ＧａＡｓホストとシード層の間に堆積させた窒化シリコンなどの不浸透性キャップ層と共に用いることができる。表１はＩＩＩ族窒化物材料のＣＴＥ、及び幾つかの適切なホスト基板材料のＣＴＥを示す。
表１．  ホスト基板材料の熱膨張係数
0005441297.tif 000002
【０００８】
シード層１６は、その上にデバイス層１８を成長させる層であり、従って、その上にＩＩＩ族窒化物の結晶が核生成できる材料でなければならない。シード層１６は凡そ５０Åと１μｍの間の厚さとすることができる。幾つかの実施形態においては、シード層１６はデバイス層１８の材料に対してＣＴＥ適合性である。シード層１６は、普通、デバイス層１８に対して適度に近い格子適合性の単結晶材料である。多くの場合、その上にデバイス層１８を成長させるシード層１６の上面の結晶配向軸は、ウルツ鉱型［０００１］ｃ軸となる。シード層１６が完成デバイスの部分として残る実施形態においては、光がデバイスからシード層１６を通して取り出される場合には、シード層１６は透明か、又は薄くすることができる。表２は幾つかのシード層材料の格子定数を示す。
表２．  シード層材料の格子定数
0005441297.tif 000003
【０００９】
一つ又はそれ以上の接合層１４が、ホスト基板１２をシード層１６に接合する。接合層１４は凡そ１００Åと１μｍの間の厚さとすることができる。適切な接合層の例は、ＳｉＯ2などのＳｉＯx、Ｓｉ3Ｎ4などのＳｉＮx、ＨｆＯ2、それらの混合物、Ｍｏ、Ｔｉなどの金属、ＴｉＮ，他の合金、及び、他の半導体又は誘電体、を含む。接合層１４は、ホスト基板１２をシード層１６に結合させるので、接合層１４を形成する材料は、ホスト１２とシード１６の間に良好な接着をもたらすように選択される。幾つかの実施形態においては、接合層１４は、デバイス層１８を攻撃しないエッチングによってエッチングできる材料から形成される剥離層であり、それによって、デバイス層１８及びシード層１６がホスト基板１２から剥離される。例えば、接合層１４は、ＩＩＩ族窒化物デバイス層１８を損傷することなくＨＦによってウェット・エッチングできるＳｉＯ2とすることができる。接合層１４が完成デバイスの部分として残る実施形態においては、接合層１４は透明であるか又は非常に薄いことが好ましい。幾つかの実施形態においては、接合層１４は省略できて、シード層１６は直接ホスト基板１２に接着される。
【００１０】
デバイス層１８は、当技術分野で既知の成長法によって成長させた通常のＩＩＩ族窒化物デバイス層である。シード層１６に隣接する層の組成は、その格子定数又は他の性質、及び／又は、シード層１６の材料上に核生成できる機能、によって選択することができる。
【００１１】
本発明の幾つかの実施形態においては、シード層１６及び接合層１４は、ホスト基板１２と共に広がり且つそれに接触する厚い層である。例えば、接合層１４及びシード層１６は両方とも１００Åより厚くすることができる。シード層１６の上に成長させたエピタキシャル層１８は、エピタキシャル層１８とシード層１６の間の格子不適合により歪みを受け、それゆえ、歪みを制限するためにシード層の組成は、エピタキシャル層１８に対して適度に格子適合性であるように選択される。さらに、シード層１６及びホスト基板１２の組成は、エピタキシャル層１８のＣＴＥに近いＣＴＥをもつように選択される。幾つかの実施形態においては、ホスト基板及びシード層の材料は、ホストのＣＴＥが、デバイス層の少なくとも１つの層、例えば発光層、のＣＴＥの少なくとも９０％となるように選択される。可能なシード層／接合層／ホスト基板組合せの例には、Ａｌ2Ｏ3／酸化物／Ａｌ2Ｏ3又はアルミナ、ＳｉＣ／酸化物／適度に近いＣＴＥをもつ任意のホスト、ＺｎＯ／酸化物／適度に近いＣＴＥをもつ任意のホスト、及び、ＧａＮ／酸化物／適度に近いＣＴＥをもつ任意のホストなどのＩＩＩ族窒化物材料、がある。
【００１２】
ホスト基板１２のＣＴＥがエピタキシャル層１８のそれより大きい場合には、エピタキシャル層１８は室温で圧縮歪みを受ける。エピタキシャル層１８内の圧縮歪みは、高Ｓｉドーピングのｎ型層の成長を可能にし、例えば２μｍより厚いエピタキシャル層１８の成長を可能にする。反対に、ホスト基板１２のＣＴＥがエピタキシャル層１８のそれより小さい場合には、エピタキシャル層１８は室温で引張歪みを受け、そのため、エピタキシャル層１８の厚さ及びその中のドーピング・レベルはクラッキングによって制限される。従って、ホスト基板１２の組成は普通、エピタキシャル層１８のそれより大きなＣＴＥをもつように選択される。
【００１３】
本発明の幾つかの実施形態においては、複合基板１０の上に成長させるエピタキシャル層１８内の歪みの緩和は、シード層１６の厚さを、エピタキシャル層１８の臨界厚さ、即ち、エピタキシャル層１８が緩和してもはや歪みを受けなくなる厚さ、より薄く、又はそれに凡そ等しくなるように制限することによってもたらされる。例えば、サファイ又は他のホスト基板１２と、ＳｉＣシード層１６とを有する複合基板内では、シード層１６の厚さは５０Åと３００Åの間にすることができる。
【００１４】
エピタキシャル層１８の成長の間に、層１８の厚さが薄いシード層の厚さを超えて増加するに連れて、格子不適合性のシード層１６上の成長によるエピタキシャル層１８内の歪み負荷は、層１８からシード層１６に移る。一旦層１８の厚さが緩和の臨界点を超えると、層１８内の歪みの緩和は、エピタキシャル層１８を通しての上方への転位の伝播によるのではなく、むしろ、シード層１６内に形成される転位によって、及び、適合性接合層１４とシード層１６との間の滑りによってもたらされる。エピタキシャル層１８からシード層１６へ、シード層内での転位の形成によって歪み負荷が移動するとき、シード層の格子定数は、緩和した及び独立した状態のシード層の格子定数から、エピタキシャル層内の格子定数に近い又は等しい格子定数に変化する。かくしてエピタキシャル層１８は転位の非常に少ない高品質の層となる。例えば、デバイス層１８内の貫通転位の濃度は、１０9ｃｍ-2より小さく、より好ましくは１０8ｃｍ-2より小さく、より好ましくは１０7ｃｍ-2より小さく、より好ましくは１０6ｃｍ-2より小さく制限することができる。
【００１５】
前述のように、シード層１６に隣接するＩＩＩ族窒化物層の組成は、普通、シード層１６の材料の上に核生成できる機能によって選択される。この実施形態の上記の実施例においては、ＳｉＣシード層１６がサファイアのホスト基板１２に接着されているが、シード層１６上に成長させるＩＩＩ族窒化物層は、ＳｉＣ上で良好に核生成してＳｉＣのそれに適度に近い格子定数をもつ、ＡｌＮとすることができる。エピタキシャル層１８の組成は、組成勾配によって、又はＩＩＩ族窒化物層を任意に組合せた超格子によって、層１８の厚さ方向に変化させることができる。例えば、ＡｌＮの非常に薄い層を直接ＳｉＣシード層１６上に堆積させ、次いで、減少したＡｌＮ組成をもつＡｌＧａＮを形成するようにＧａＮを加え、これをＡｌＮ組成が０％に達してＧａＮを生じるまで行うことができる。次に、層の組成は、ＩｎＧａＮの所望の組成に達するまでＩｎＮを加えてＩｎＮの組成を増加させることにより、ＧａＮからＩｎＧａＮまで変化させることができる。
【００１６】
この実施形態においてシード層の厚さが減少するに従って、シード層１６、ホスト基板１２、及びエピタキシャル層１８のＣＴＥの間の適合性、並びに、シード層１６とエピタキシャル層１８の格子定数の間の適合性の重要性は小さくなるが、その理由は、薄いシード層は、エピタキシャル層１８内の歪みを緩和するように、より良好に膨張し易く、転位を形成し易く、又は接合層１４との界面で滑り易いからである。
【００１７】
幾つかの実施形態においては、シード層１６及びシード層上に成長させる第１のエピタキシャル層１８の材料は、シード層１６の格子定数と、核生成層と呼ばれるシード層上に成長させる第１のエピタキシャル層の格子定数と、の間の差が１％未満となるように、選択される。例えば、ＧａＮ又はＩｎＧａＮの核生成層は、ＺｎＯシードのＣＴＥに適度に近いＣＴＥをもつ任意のホスト基板に、酸化物接合層によって接合されたＺｎＯシード層１６を含んだ複合成長基板の上に、成長させることができる。ＺｎＯの格子定数は３．２４Åである。核生成層の格子定数は、核生成層のＩｎＮ組成に依存して、例えば、３．２１Åと３．２７Åの間とすることができる。例えば、Ｉｎ0.09Ｇａ0.91Ｎの核生成層は約３．２１Åの格子定数をもち、Ｉｎ0.16Ｇａ0.84Ｎの核生成層は約３．２４Åの格子定数をもつ。ＺｎＯは、ＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＮを成長させるのに必要な温度で解離する可能性があるので、ＺｎＯシード層を有する複合基板上に成長させる第１のＩＩＩ族窒化物層は、ＭＢＥなどのより低温の技術によって成長させることができる。或いは、３．１１Åの格子定数をもつＡｌＮ核生成層は、３．０８Åの格子定数をもつＳｉＣシード層上に成長させることもできる。
【００１８】
シード層と核生成層の格子定数の間の差を制限することは、デバイスのエピタキシャル層１８内に生成する転位の数を潜在的に減らして、デバイス内の歪み量を減らす可能性がある。幾つかのデバイスにおいては、核生成層などのエピタキシャル層１８内の格子定数は、シード層１６内の格子定数より大きくして、そのためエピタキシャル層は、引張歪みではなく圧縮歪みを受けるようにすることができる。
【００１９】
幾つかの実施形態においては、ホスト基板の材料は、シード層の格子定数を、エピタキシャル層１８の格子定数により接近して適合するように、加熱によって所望の量だけ伸ばすようなＣＴＥをもつように選択される。ホスト基板１２は、そのＣＴＥがＩＩＩ族窒化物層１８の成長温度においてシード層内に引張歪みを生じるように選択することができる。このようにしてシード層１６の格子定数は、エピタキシャル層１８の発光層が可視光を放射するのに必要な高いＩｎＮ組成物（例えば、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ）の格子定数とより良好に適合するように、引張歪みによって伸ばされる。伸ばされたシード層の格子定数は、サファイアのホスト基板１２上のＳｉＣシード層１６、又は多結晶ＳｉＣのホスト基板１２上のＧａＮシード層１６、を有する複合基板内において可能である。ホスト基板１２によってシード層１６に引張歪みが加えられるところでは、シード層１６がより薄いほど、シード層１６はクラッキングなしに引張歪みにより強く耐えられる。一般に、シード層１６の格子定数と核生成層の格子定数との間の差は、特に、シード層の伸ばされた格子定数を核生成層の格子定数と適合させようとする場合には、１％未満に制限することが望ましい。
【００２０】
ホスト基板材料が、シード層の格子定数を伸ばすように選択される実施形態の１つの実施例においては、凡そ５×１０-6℃-1のＣＴＥ及び３．１１Åの格子定数をもつＡｌＮ核生成層が、凡そ４×１０-6℃-1のＣＴＥ及び３．０８Åの格子定数をもつＳｉＣシード層１６の上に成長させられる。ホスト基板１２は少なくとも１０×１０-6℃-1のＣＴＥをもつことができる。ホスト基板１２が少なくとも１５×１０-6℃-1のＣＴＥをもつ場合には、周囲温度がエピタキシャル層１８の成長に適切な温度（例えば、約１０００℃）まで上昇する際のホスト基板１２の膨張は、ＳｉＣシード層１６の格子定数を、成長させられるＡｌＮ核生成層の格子定数に適合するように膨張させる。シード層１６と核生成層の間には格子定数の不適合がないので、ＡｌＮ核生成層は転位なしに又は非常に低い転位濃度で成長させることができる。少なくとも１５×１０-6℃-1のＣＴＥをもつ適切なホスト基板材料の１つの例は、Ｈａｙｎｅｓ  Ａｌｌｏｙ  ２１４、ＵＮＳ＃Ｎ０７２１２であり、これは、７５％のＮｉ，１６％のＣｒ、４．５％のＡｌ、及び３％のＦｅからなる合金であり、１８．６×１０-6℃-1のＣＴＥ、及び１３５５℃の融点をもつ。別の実施例においては、５０％までのＡｌＮを含有するＡｌＧａＮ核生成層が、ＡｌＮシード層１６を有する基板上に成長させられる。別の実施例においては、ＩｎＧａＮ核生成層がＧａＮシード層１６を有する基板上に成長させられる。成長後、ウェハが室温まで冷却されシード層１６の格子定数が再び収縮するときに、転位が生成しないようにデバイスのウェハ上にトレンチを形成することができる。そのようなトレンチは、図９を参照しながら以下に説明される。
【００２１】
幾つかの実施形態においては、エピタキシャル層１８内の歪みのさらなる緩和が、接合層１４上にシード層を、単一の連続的な層としてではなく、ストライプ状又はグリッド状に形成することによってもたらされる。或いは、シード層を単一の連続的な層として形成し、次いで、所々で除去して、例えばトレンチを形成することにより、歪み緩和をもたらすようにすることができる。図９は、ストライプ状に形成されたシード層１６を有する複合基板をもつデバイスの断面図である。単一の連続的なシード層１６は、ホスト基板１２に接合層１４を通して接着し、次いで通常のリソグラフ法を用いて、シード層の部分をストライプを形成するために除去するように、パターン付けすることができる。シード層のストライプの各々の端部は、エピタキシャル層１８内の転位をシード層のストライプの端部に濃縮させることによって、付加的な歪み緩和をもたらす。シード層１６、接合層１４、及び核生成層の組成は、核生成層の材料が選択的にシード層１６の上に核生成し、且つ、シード層１６の部分の間の空間に露出している接合層１４の部分の上には核生成しないように選択することができる。
【００２２】
発光デバイスのウェハ上において、図９に示されるシード層１６内のトレンチは、単一デバイス幅の程度の、例えば数百ミクロン又は数ミリメートルの、間隔を空けることができる。パターン付けされたシード層をもった複合基板上に形成されるデバイスのウェハは、シード層部分の端部が個々のデバイスの発光層の真下に位置しないように切り分けることができるが、その理由はシード層の端部に濃縮された転位が性能低下又は信頼性低下の問題を生ずる可能性があるからである。或いは、多数のトレンチを単一デバイスの幅の中に、例えば、数ミクロン又は十分の数ミクロンの程度の間隔を空けて、形成することができる。そのような基板上の成長条件は、シード層１６上に形成される核生成層、又は後のエピタキシャル層が、シード層１６内に形成されたトレンチと一体化し、その結果、ウェハ上のデバイスの発光層がシード層１６内のトレンチによって中断されない連続層として形成されるように、選択することができる。
【００２３】
前述の本実施形態及び実施例において説明された幾つかの複合基板は、図４−図６に示すように形成することができる。図４−図６は、シード層のバルク材料が容易に入手できるときの複合基板、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、及び、可能的にはＡｌＮなどのある種のＩＩＩ族窒化物層、のシード層をもつ基板、の生成方法を示す。図４に示されるように、接合層１４がホスト基板１２上に、該接合層及び該基板の材料に対して適切な通常の方法によって、形成される。例えば、ＳｉＯ2の接合層１４は、Ａｌ2Ｏ3のホスト基板１２上に、例えば化学気相堆積法などの堆積法によって堆積することができる。幾つかの実施形態においては、接合層１４は堆積後、接合層１４を平坦化するために、例えば機械研磨法などの方法で処理することができる。
【００２４】
次に、図５に示されるように、シード層材料の厚いウェハ１６Ａが接合層１４の露出表面に接合される。シード層材料のウェハ１６Ａは、接合層１４に対する強い接合を形成するために平坦でなければならない。ホスト基板１２とウェハ１６Ａは高温高圧において接合される。
【００２５】
次に、シード層１６の所望の厚さを超えるシード層材料１６Ａの部分が、図６に示されるように、シード層材料の組成に適した方法６０によって除去される。例えば、Ａｌ2Ｏ3シード層材料は研磨法により除去することができ、ＳｉＣシード層材料はエッチング法で除去することができる。結果として得られる構造体は、前述の複合基板１０である。
【００２６】
図４、図７、及び図８は、前述の複合基板を形成する代替の方法を示す。図４−図６を参照して前述された方法におけると同様に、接合層１４は初めにホスト基板１２上に形成され、次に、必要ならば図４に示されるように接合層１４を平坦化する処理を行う。
【００２７】
別に、シード層材料のウェハ１６Ｂには、最終的な複合基板内のシード層１６の所望の厚さに相当する深さ７２において、バブル層を形成するために、水素、重水素、又はヘリウムなどの材料７２が７０で注入される。シード層材料のウェハ１６Ｂは、Ａｌ2Ｏ3などの単一材料であってもよいし、以下に説明するように、Ａｌ2Ｏ3上にエピタキシャルに成長させた、又はホスト基板に接合させたＩＩＩ族窒化物層のように、異なる材料を含んでもよい。
【００２８】
ウェハ１６Ｂは、ウェハ１６Ｂの水素が注入された面が接合層１４に接合されるように、接合層１４に接合される。図５を参照して前述されたように、接合層１４の露出表面とウェハ１６Ｂの表面との両方は、高温高圧において強固な接合を形成するために十分に平坦でなければならない。得られる構造体は、図８に示される。図８の接合された構造体は、次に、不活性雰囲気中で例えば約５００℃より高い温度に加熱され、この加熱がウェハ１６Ｂ内に注入されたバブル層を膨張させ、ウェハ１６Ｂの薄いシード層部分をウェハ１６Ｂの残りの部分から、バブル層７２が注入された厚さにおいて層間剥離させ、その結果、前述の完成複合基板１０が得られる。
【００２９】
バルク材料として入手が容易でない材料のシード層を含んだ前述の実施形態及び実施例においては、シード層は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、及びＡｌＮなどのＩＩＩ族窒化物の場合、サファイアなどの適切な成長基板上にＭＯＣＶＤ又はＭＢＥなどのエピタキシャル法によって成長させて別個に準備しなければならない。成長基板上に適切な厚さのシード層材料を成長させた後に、シード層は適切なホストに接着させ、そして成長基板に適した方法で成長基板が除去される。
【００３０】
幾つかの実施形態においては、例えばＩＩＩ族窒化物のシード層材料の場合、シード層は成長基板上に歪みを含んで成長させられる。シード層１６がホスト基板１２に結合され、成長基板から剥離されるとき、例えば、適合性接合層１４のように、シード層１６とホスト基板１２の間の結合が適合性である場合には、シード層１６は少なくとも部分的に緩和される可能性がある。従って、シード層が歪み含有層として成長させられるにしても、シード層の格子定数が、シード層が成長基板から剥離され緩和した後に、シード層上に成長させるエピタキシャル層１８の格子定数に適度に近いか又は適合するように、組成を選択することができる。
【００３１】
例えば、ＩＩＩ族窒化物デバイスを普通にＡｌ2Ｏ3上に成長させるとき、基板上に成長させる第１の層は、普通は、約３．１９Åの格子定数をもつＧａＮバッファ層である。ＧａＮバッファ層は、バッファ層上に成長させる、多くの場合ＩｎＧａＮである発光層を含むデバイス層の全ての格子定数を設定する。緩和した独立したＩｎＧａＮはＧａＮより大きな格子定数をもつので、発光層はＧａＮバッファ層上に成長させるときには歪みを含有する。対照的に、本発明の実施形態においては、ＩｎＧａＮシード層が通常の基板上に歪みを含んで成長させられ、次にホストに接合され、ＩｎＧａＮシード層が少なくとも部分的に緩和するように、成長基板から剥離される。緩和した後、ＩｎＧａＮシード層はＧａＮより大きな格子定数をもつ。それゆえに、ＩｎＧａＮシード層の格子定数は、ＩｎＧａＮ発光層と同じ組成をもった緩和した独立した層の格子定数に、ＧａＮより良好に適合する。ＩｎＧａＮシード層上に成長させた、ＩｎＧａＮ発光層を含むデバイス層は、ＩｎＧａＮシード層の格子定数を模写することになる。従って、緩和したＩｎＧａＮシード層の格子定数を有するＩｎＧａＮ発光層は、ＧａＮバッファ層の格子定数を有するＩｎＧａＮ発光層より歪みが少ない。発光層内の歪みを低減することにより、デバイスの性能を改善することができる。
【００３２】
例えば、サファイア上に普通に成長させたＧａＮバッファ層は、３．１８９Åの格子定数をもつことができる。青色光を放射するＩｎＧａＮ層は、３．２３Åの独立した状態での格子定数を有する組成であるＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎの組成をもつことができる。発光層内の歪みは、発光層内の実際の格子定数（通常のＧａＮバッファ層上に成長させた層については３．１８９Å）と、同じ組成をもつ独立した層の格子定数との間の差異であり、従って、歪みは（ａfreestanding−ａactual）／ａfreestandingのように表すことができる。通常のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ層の場合には、歪みは（３．２３Å−３．１８９Å）／３．２３Åで、約１．２３％となる。同じ組成の発光層が、ＩｎＧａＮシード層を有する複合基板の上に成長させられる場合には、ＩｎＧａＮシード層のより大きな格子定数が発光層内により大きな実際の格子定数を生ずるので、歪みは低減されるか又は除去される。本発明の幾つかの実施形態においては、４３０ｎｍと４８０ｎｍの間の光を放射するデバイスの発光層内の歪みは、１％未満、より好ましくは０．５％未満に低減することができる。シアン色光を放射するＩｎＧａＮ層は、通常のＧａＮバッファ層上に成長させたときには約１．７％の歪みを含有する組成であるＩｎ0.16Ｇａ0.84Ｎの組成をもつ可能性がある。本発明の幾つかの実施形態においては、４８０ｎｍと５２０ｎｍの間の光を放射するデバイスの発光層内の歪みは、１．５％未満、より好ましくは１％未満に低減することができる。緑色光を放射するＩｎＧａＮ層は、独立した状態で３．２６Åの格子定数をもち、通常のＧａＮバッファ層上に成長させたときには約２．１％の歪みを生ずる組成である、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎの組成を有する可能性がある。本発明の幾つかの実施形態においては、５２０ｎｍと５６０ｎｍの間の光を放射するデバイスの発光層内の歪みは、２％未満、より好ましくは、１．５％未満に低減することができる。
【００３３】
ＩＩＩ族窒化物シード層材料は、所望の配向をもったＩＩＩ族窒化物シード層を有する複合基板を形成するために、付加的な接合ステップを必要とする可能性がある。サファイア又はＳｉＣの成長基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物層は、典型的にはｃ面ウルツ鉱型結晶として成長する。そのようなウルツ鉱型のＩＩＩ族窒化物構造体は、ガリウム面と窒素面を有する。ＩＩＩ族窒化物は、成長層の上面がガリウム面となり、一方底面（成長基板に隣接する表面）は窒素面となるように選択的に成長する。普通にサファイア又はＳｉＣの上にシード層材料を単に成長させること、次いでシード層材料をホストに結合すること、及び成長基板を除去することは、窒素面を露出したＩＩＩ族窒化物シード層を有する複合基板を生成する。前述の通り、ＩＩＩ族窒化物は、ガリウム面上に、即ち上面をガリウム面として選択的に成長するので、窒素面上の成長は、結晶配向が窒素面を上面とする配向からガリウム面を上面とする配向に切り替わるときに、望ましくないことに結晶欠陥を生じる、即ち、低材質材料を生ずる可能性がある。
【００３４】
ガリウム面を上面とするＩＩＩ族窒化物シード層を有する複合基板を形成するために、シード層材料を普通に成長基板上に成長させ、次いで任意の適切な第１のホスト基板に接合し、次に成長基板から切り離し、その結果、シード層材料が第１のホスト基板にガリウム面を通じて接合され、成長基板を除去することによって窒素面を露出したままに残す、ようにすることができる。次に、シード層材料の窒素面を第２のホスト基板１０、即ち本発明の実施形態による複合基板のホスト基板、に接合する。第２のホスト基板への接合後、第１のホスト基板を成長基板に適した方法で除去する。最終的な複合基板においては、シード層材料１６の窒素面は随意の接合層１４を通じてホスト基板１２に接合され、その結果、ＩＩＩ族窒化物シード層１６のガリウム面が、エピタキシャル層１８の成長のために露出される。
【００３５】
例えば、ＧａＮバッファ層は普通にサファイア基板上に成長させ、次いで、複合基板のシード層を形成するＩｎＧａＮ層を成長させる。ＩｎＧａＮ層は、接合層を用いて又はそれを用いずに、第１のホスト基板に接合させる。サファイアの成長基板は、サファイアに隣接するＧａＮバッファ層のレーザ溶融によって除去し、次いでサファイアの除去によって露出した残りのＧａＮバッファ層はエチングによって除去し、その結果、第１のホスト基板に接合したＩｎＧａＮ層が生成される。ＩｎＧａＮ層には、図７を参照しながら前述したように、最終的な複合基板内のシード層の所望の厚さに相当する深さにおいてバブル層を形成するために、水素、重水素、又はヘリウムなどの材料を注入することができる。ＩｎＧａＮ層は、接合のために十分に平坦な表面を生成するために、随意的に処理することができる。次にＩｎＧａＮは、接合層を用いて又はそれを用いずに、最終的な複合基板内のホストを形成する第２のホスト基板に接合させる。次に、第１のホスト基板、ＩｎＧａＮ層、及び第２のホスト基板は、前述のように加熱されて、ＩｎＧａＮ層内に注入されたバブル層を膨張させ、ＩｎＧａＮ層の薄いシード層部分を、ＩｎＧａＮ層の残り部分及び第１のホスト基板から層間剥離させ、前述のようにホスト基板に接合したＩｎＧａＮシード層を有する完成した複合基板を形成する。
【００３６】
シード層材料を２回接合する、即ち、シード層材料の結晶配向を２回反転させるために第１のホスト基板に、次いで第２のホスト基板に接合する代わりに、シード層材料を、窒素面を上に向けた成長基板の上に成長させることができる。窒素面をもつシード層材料を前述のようにホスト基板１２に結合するときには、シード層１６のガリウム面がエピタキシャル層１８の成長のために露出させられる。窒素面膜は、より詳しくは、引用によりここに組み入れられる文献“有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）によって成長させたホモエピタキシャルＧａＮの形態的及び構造的特性”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ２０４（１９９９）４１９−４２８、及び、“極性をもった振る舞い”、Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ｂ）２２８、Ｎｏ．２、５０５−５１２（２００１）、に記載されているように、例えば気相エピタキシ法又はＭＯＣＶＤ法によって成長させることができる。
【００３７】
幾つかの実施形態においては、シード層材料は、上記のようなｃ面材料としてではなく、ｍ面又はａ面材料として成長させられる。
【００３８】
前述のいずれかの実施形態による複合基板１０の上に成長させたＩＩＩ族窒化物デバイスは、図１−図３に示されるように加工処理して薄膜デバイスにすることができる。前述のように、デバイス層１８は複合基板１０上に成長させる。次に、デバイス層は新しいホスト基板に接合させ、次いで複合基板の全部又は１部を除去することができる。図１は、複合基板１０上に成長させたデバイス層を示す。デバイス層１８は普通、基板１０上に成長させられたｎ型領域を含み、ここで基板１０は、バッファ層又は核生成層などの随意的な準備層と、複合基板１０の剥離、又は複合基板１０の除去後のエピタキシャル層の薄層化を促進するように設計された随意的な剥離層と、を含むことができる。ｎ型領域の上に、普通、１つ又はそれ以上の発光層を成長させ、その後にｐ型領域を成長させる。デバイス層１８の上面は、例えば粗面化することにより、又はフォトニック結晶などの構造体形成により、完成デバイスからの光の取り出しを増加するために加工処理を施すことができる。
【００３９】
図２に示されるように、例えば、オーム・コンタクト層、反射層、障壁層、及び接合層を含む１つ又はそれ以上の金属層２０が、デバイス層１８の上面上に堆積される。次にデバイス層が、金属層２０の露出表面を介してホスト基板２２に接合される。普通は金属である１つ又はそれ以上の接合層は、エピタキシャル・デバイス層１８とホスト基板２２の間の熱圧着又は共融接合のための適合性材料として機能することができる。適切な接合層金属の例には、金と銀が含まれる。ホスト基板２２は、複合成長基板１０が除去された後にエピタキシャル層を機械的に支持し、かつ、デバイス層１８の一つの表面に電気的コンタクトを与える。ホスト基板２２は一般に、導電性（即ち、約０．１Ωｃｍより小さい）であり、熱伝導性であり、エピタキシャル層のＣＴＥに適合するＣＴＥを有し、かつ、強固なウェハ接合を形成するのに十分に平坦（即ち、粗さの２乗平均平方根が約１０ｎｍより小さい）である、ように選択される。適切な材料には、例えば、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｕ／Ｍｏ、及びＣｕ／Ｗなどの金属と、例えば、Ｐｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇの１つ又はそれ以上を含んだオーム・コンタクトを有するＳｉ、及びオーム・コンタクトを有するＧａＡｓなどの、金属コンタクトを備えた半導体と、ＡｌＮ、圧縮ダイアモンド、又は化学気相堆積法によって成長させたダイアモンド層などのセラミックスと、が含まれる。
【００４０】
デバイス層１８は、デバイスのウェハ全体がホストのウェハに接合される形態で、ウェハのスケールでホスト基板に接合し、次いで、接合後に個々のデバイスに切り分けるようにすることができる。その代りに、引用によりここに組み入れられる米国特許出願整理番号１０／９７７，２９４、“パッケージ統合型薄層ＬＥＤ”（２００４年１０月２８日出願）により詳しく記載されているように、デバイスのウェハを個々のデバイスに切り分け、次に各々のデバイスをダイのスケールでホスト基板２２に接合することができる。
【００４１】
ホスト基板２２と金属層２０の間の界面に、例えば金属接合層の間の界面に形成される耐久性金属接合のような耐久性接合を形成するために、ホスト基板２２とエピタキシャル層１８が高温高圧において互いに圧着される。接合形成のための温度及び圧力の範囲は、その下限は形成される接合の強度により制限され、上限はホスト基板構造体、メタライゼーション、及びエピタキシャル構造体の安定性により制限される。例えば、高温及び／又は高圧は、エピタキシャル層の分解、金属コンタクトの層間剥離、拡散障壁の破壊、又はエピタキシャル層の成分材料のガス抜け、を起こす可能性がある。接合形成のための適切な温度範囲は、例えば、室温から約５００℃までである。接合形成のための適切な圧力範囲は、例えば、圧力無印加から約５００ｐｓｉまでである。
【００４２】
次に、図３に示されるように、複合基板１０の全て又は部分を除去することができる。例えば、複合基板１０のホスト基板１２は、接合層１４を攻撃するエッチング液中におけるエッチングによって除去することができる。ホスト基板１２及び接合層１４はこのようにして除去され、シード層１６と、第２のホスト基板２２に接合されているデバイス層１８とが残される。シード層１６もまた、エッチング、ラッピング、グラインディング、又はそれらの組合せ、などによって除去することができる。例えば、ＳｉＣシード層はエッチングによって除去でき、Ａｌ2Ｏ3シード層は研磨によって除去することができる。幾つかの実施形態においては、シード層１６又は複合基板１０の全体が完成デバイスの部分として残される。
【００４３】
図３に示されるデバイスのように、複合基板１０全体が除去される場合には、残ったデバイス層１８は、例えば、シード層１６に近接した低材質のデバイス層の部分を除去するために、薄くすることができる。エピタキシャル層は、例えば、化学機械研磨法、通常のドライ・エッチング法、又は光電気化学エッチング法（ＰＥＣ）によって薄くすることができる。エピタキシャル層の最上面は、取出し光量を増すためにテクスチャ加工又は粗面化を行うことができる。コンタクト２６は、多くの場合ｎコンタクトであるが、層１８の露出面上に、例えばリング状又はグリッド状に形成される。コンタクトの真下のデバイス層には、コンタクトの真下の発光領域部分からの発光を防止するために、例えば水素を注入することができる。蛍光体などの波長変換層、及び／又は、２色性素子又は偏光子などの補助光学素子を、当技術分野で既知のように、放射表面に適用することができる。
【００４４】
或いは、図１０に示されるように、図１に示されるデバイスのエピタキシャル層１８の一部を除去して、発光層を間に挟んだｎ型領域とｐ型領域の両方の部分を、デバイスの同じ側面に露出させることができる。電気的コンタクト２６及び２８は、これらの露出部分に形成される。電気的コンタクト２６及び２８が反射性である場合には、構造体は、図１０に示されるように、シード層１６を通して光を取り出すために、コンタクト側面が下になるようにマウント２４に取り付けることができる。複合基板の全体又は部分を除去することができて、例えば、図１０に示されるようにエピタキシャル層１８に接着したシード層１６を残してもよい。電気的コンタクト２６及び／又は２８が透明である場合には、コンタクト２６及び２８を通して光を取出すように、コンタクト側面が上になるようにデバイスを取り付けることができる（図１０には図示せず）。
【００４５】
以上、本発明を詳細に説明したが、当業者は、本開示が与えられるならば、ここで説明された本発明の着想の精神から逸脱することなしに、本発明に変更を加えることができることを認識するであろう。従って、本発明の範囲が図示され説明された特定の実施形態に限定されることは、意図されない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ホスト基板、接合層、及びシード層を有する複合成長基板の上に成長させたＩＩＩ族窒化物半導体構造体を示す。
【図２】第２のホスト基板に接合された図１の構造体を示す。
【図３】シード層、接合層、及び第１のホスト基板を除去した後の、そしてエピタキシャル層の露出表面上にコンタクトを形成した後の、図２の構造体を示す。
【図４】ホスト基板と接合層を示す。
【図５】シード層材料の厚いウェハに接合された図４の構造体を示す。
【図６】所望の厚さのシード層を残すように、シード層材料の厚いウェハの一部を除去した後の複合基板を示す。
【図７】シード層材料の厚いウェハにバブル層を注入する工程を示す。
【図８】図４の構造体に接合された図７の構造体を示す。
【図９】パターン付けされたシード層を含んだ複合基板を有するデバイスを示す。
【図１０】複合基板のシード層上に成長させたフリップ・チップ型デバイスを示す。
【符号の説明】
【００４７】
１０：複合基板
１２、２２：ホスト基板
１４：接合層
１６：シード層
１８：半導体デバイス層（エピタキシャル層）
２０：金属層
２４：マウント
２６：コンタクト
６０：除去方法
７０：注入
７２：バブル層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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