(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
境界面で接合された隣接する第１の層と第２の層を含む複数の層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成する方法であって、
電気的特性が前記第１の層及び前記第２の層の前記境界面に沿って選択的に変化するように、前記第１の層の第１の表面をパターン形成し、前記パターン形成が前記第１の層の表面をエッチングし、窪んでいない領域によって取り囲まれている１又はより多くの窪み領域を形成することを含み、及び
前記第２の層の表面と前記第１の層の表面との間に電流は流れるが、前記第２の層と前記１又はより多くの窪み領域との間に電流が流れないように、前記第１の層の前記第１の表面を前記第２の層にウェーハ・ボンディングすることからなる、発光ダイオードの形成方法。
【請求項２】
ＬＥＤ層をエピタキシャル成長させることをさらに含み、前記第１の層の前記第１の表面のパターン形成が、前記エピタキシャル成長されるＬＥＤ層に所望の電流経路を画定するパターンを選択することを含む、請求項１の方法。
【請求項３】
電圧を印加するために前記１又はより多くの窪み領域と位置合わせされた電極を形成し、この電極が前記第１の層の、前記第２の層と反対側の側面に配置される、請求項１の方法。
【請求項４】
前記第１の表面のパターン形成が、前記第１の層に電流拡散を行わせる、請求項１の方法。
【請求項５】
前記第１の表面のパターン形成が、前記ＬＥＤによって発生される光の光反射パターンを生成する、請求項１の方法。
【請求項６】
前記第１の表面のパターン形成が、電流の流れを限定して前記ＬＥＤをスポット・エミッタとする、請求項１の方法。
【請求項７】
前記第１の表面のパターン形成が、前記第１の層に電流限定経路を形成させる、請求項１の方法。
【請求項８】
ウェーハ・ボンディングされた境界面で接合された隣接する第１の層と第２の層を含む複数の層からなり、前記境界面がパターン形成された前記第１の層の第１の表面を含み、前記パターンが電気的特性を前記第１の層及び前記第２の層の前記境界面に沿って変化させ、前記パターンが前記第１の層の窪んでいない領域によって取り囲まれているエッチングにより形成された１又はより多くの窪み領域を含み、それによって前記第２の層の表面と前記第１の層の表面との間に電流が流れ、前記第２の層と前記１又はより多くの窪み領域の間で電流が流れない、発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造。
【請求項９】
前記複数の層がエピタキシャル成長されたＬＥＤ層であり、前記パターンが前記エピタキシャル成長されたＬＥＤ層に対して所望の電流経路を画定する、請求項８の構造。
【請求項１０】
電圧を印加するために前記１又はより多くの窪み領域と位置合わせされた電極をさらに含み、この電極が前記第１の層の、前記第２の層と反対側の側面に配置されている、請求項８の構造。
【請求項１１】
前記パターンが、前記第１の層に電流拡散を行わせる、請求項８の構造。
【請求項１２】
前記パターンが、前記ＬＥＤによって発生される光の光反射パターンを生成する、請求項８の構造。
【請求項１３】
前記パターンが、前記ＬＥＤを通る電流の流れを制御して前記ＬＥＤを少なくとも１つのスポット・エミッタとする、請求項８の構造。
【請求項１４】
前記パターンが、前記第１の層に１又はより多くの電流限定経路を形成させる、請求項８の構造。
【請求項１５】
前記第１の層の前記第１の表面が間に層を介在させずに前記第２の層に直接接合されている、請求項８の構造。
【請求項１６】
前記第１の層の前記第１の表面が間に層を介在させずに前記第２の層に直接接合される、請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に発光ダイオードに関し、特に発光ダイオードの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は広範な用途に利用されている。例えば、光データ伝送では、ＬＥＤは光ファイバ・ケーブルに沿ってデータ信号を伝送するために利用されている。
【０００３】
レーザーとは異なり、ＬＥＤは良好に集束された光ビームを生成しない。対照的にＬＥＤは全方向に光線を放射する。すなわち、発光は等方性である。多くの従来形のＬＥＤの層はＬＥＤの能動領域の放射エネルギよりもエネルギ・ギャップが少ない光吸収性の基板上で成長される。基板は能動領域内で生成された光線の一部を吸収するので、素子の効率が低下する。従来の単一ヘテロ接合型の砒化アルミニウム・ガリウム（以下、ＡｌＧａＡｓという）ＬＥＤを図２０に示してある。ｐ−ドーピングされたＡｌＧａＡｓのエピタキシャル層１０と、ｎ−ドーピングされたＡｌＧａＡｓのエピタキシャル層１２とがｐ−ドーピングされた砒化ガリウム（以下、ＧａＡｓという）吸収性基板１４の表面上で成長される。エピタキシャル層１０と１２の接合部を通る電流の導通によって光線が生成される。しかし、吸収性基板１４のエネルギ・ギャップが放射エネルギよりも小さいので、吸収性基板１４の方向に下方に放射され、又は内部反射される光線は吸収される。
【０００４】
図２１は吸収性の基板１６上に二重ヘテロ接合型のＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤである。ｎ−ドーピングされたＡｌＧａＡｓのエピタキシャル層１８と、ｎ−ドーピングされたＡｌＧａＡｓの層２０及び２２とが吸収性の基板１６上で成長される。エピタキシャル層１８−２２のバンド・ギャップは能動層となるエピタキシャル層２０内で光線が生成され、且つ吸収されることなくエピタキシャル層１８及び２２を通過して進行するように選択される。しかし、光線の吸収は吸収性基板１６では生じない。
【０００５】
ＬＥＤの能動領域の放射エネルギよりも大きいエネルギ・ギャップを有する透明な基板を使用することによって性能の向上を達成できる。透光性基板の効果は下方に放射される、又は下方に向かう光線の吸収を防止することにある。光線は吸収されずに、透光性基板を透過し、底部の金属粘着物及び反射性キャップから反射される。反射光線はその後、チップの頂部又はエッジから放射され、その結果、ＬＥＤの効率が大幅に高まる。
【０００６】
透光性基板を有するＬＥＤには幾つかの製造技術がある。第１の技術は透光性基板上でＰ−ｎ接合をエピタキシャル成長させることである。しかし、この技術の問題点はＬＥＤエピタキシャル層の格子定数によっては許容できる格子整合の達成が困難である点である。第２の技術は後に除去される吸収性基板上でＬＥＤエピタキシャル層を成長させることである。例えば、図３ではｎ−ドーピングされた透光性基板２４と、ｐ−ドーピングされたエピタキシャル層２６及び２８を吸収性基板（図示せず）上でエピタキシャル成長させることができる。透光性「基板」２４は格子整合性の吸収性の基板上で７５μｍ以上の厚い、透光性且つ導電性のエピタキシャル層を成長させることによって製造される。次に別の層であるエピタキシュル層２６と２８がエピタキシャルの透光性「基板」２４上で成長され、吸収性基板は除去される。あるいは、より厚い透光性「基板」２４よりも先により薄いエピタキシャル層２６及び２８を成長させてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
透光性基板を有するＬＥＤの上記の製造技術には生来の欠点がある。第１に、「厚い」、透光性且つ導電性「基板」をエピタキシャル成長させることは、一定の半導体材料用にある種の成長技術を利用する場合、実際的ではないか、又は不可能でさえある。第２に、それが可能な場合でも、「厚い」エピタキシャル層は長い成長時間を要し、このようなＬＥＤの製造量が限定される。第３に、吸収性基板を除去した後に生ずるＬＥＤ層は例えば約３−６ミルと比較的薄い。薄いウェーハは破損せずに取り扱うことが難しく、製造が一層困難になる。更に、ウェーハが薄いことによって、ウェーハをＬＥＤパッケージ内に装着する際に困難が生ずる。ウェーハを実装し、素子の底部に接触させるために代表的には銀を装填したエポキシが使用される。エポキシは薄いウェーハのエッジを越えて流出することがあり、それによってダイオード（ＬＥＤ）が短絡する原因になる。更に、薄いウェーハは少なくとも１０ミルの「厚い」基板上で成長される図２０及び図２１の装置ほどには機械的に頑強ではない。このような「薄い」ＬＥＤはエポキシ・ランプに装着する際に装置が故障する確率が大きくなる。このように、この第２の技術を採用した場合は透明層は実際の結晶成長プロセスのためには「厚すぎ」、装置の利用に介しては「薄すぎる」ので、矛盾する厚さの問題がある。
【０００８】
その結果、吸収性基板と、透光性基板の選択に関しては妥協が介在する。成長技術及び製造技術によって、吸収性基板を有するＬＥＤは透光性基板のＬＥＤよりも優れた機械特性を備えることができるが、吸収性基板は一般に効率が悪い。透光性基板を使用すれば効率を高めることができる。しかし、エピタキシャル層が異なる格子定数を有する透光性基板上で成長される場合は、格子の不整合によって困難が生ずることがある。更に、「厚い」透光性「基板」がエピタキシャル成長される場合は矛盾する厚さの問題に遭遇することがある。
【０００９】
吸収性層又は透光性層の影響は標準型のエピタキシャル層と吸収性層との間にブラッグ・リフレクタ（Ｂｒａｇ  ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ）層を成長させることによって最小限に抑制できる。ブラッグ・リフレクタは吸収性層の方向に放射又は内部反射された光線を反射するので、効率の向上は達成される。しかし、ブラッグ・リフレクタは直角に近い入射光線だけを反射するので、向上は透光性基板を使用した技術と比較して限定される。大きく直角とは異なる入射光線は反射せず、基板へと通過し、そこで吸収される。更に、ブラッグ・リフレクタを有するＬＥＤは、代表的には厚さが１００オングストロームの多くの薄いエピタキシャル層を繰り返し成長させることが必要であるので、製造が一層困難である。
【００１０】
本発明の目的は少なくとも８ミルの「厚い」基板の所望の機械的特性と、透光性基板のＬＥＤの光学特性とを有するＬＥＤの形成方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的は、ＬＥＤ層の成長のために最適な一時的成長基板を使用するが、この基板のエピタキシャル成長を必要とせずに性能が向上された基板が得られる方法によって達成された。好適な実施例では、性能向上基板はウェーハ・ボンディング技術を使用してＬＥＤ層に接合される透明部材である。透明層はＬＥＤ層のエピタキシャル成長が終了するまではＬＥＤ層に接合されないので、透光性基板とエピタキシャル層との格子整合は問題ではない。
【００１２】
一時的成長基板は所望の機械特性を有するＬＥＤ層の製造と適応性がある材料から成っている。例えば、高品質の結晶成長を達成し、格子の整合性を最適化するために、標準型の吸収性基板材料を使用できる。次に液相エピタキシ、気相エピタキシ、金属有機化学蒸着及び／又は分子ビーム・エピタキシを含む一つ、又は複数の多様な方法を利用してＬＥＤ層が成長される。ＬＥＤ構造を生成するＬＥＤ層は発光能動層と、上下の密封層と、電流拡散及び光線放出層と、単数又は複数の緩衝層とから成るものでよいが、これに限定されるものではない。
【００１３】
ＬＥＤ構造の成長に続いて、吸収性の一時的成長基板は高品質のエピタキシャル層を形成できるという目的を完了する。成長基板は除去することが好ましいが、それは吸収性成長基板はＬＥＤ構造の放射エネルギより小さいが、それと等しいエネルギ・ギャップを有しているからである。エネルギ・ギャップと装置の放射エネルギとの間のような関係は装置の効率を著しく限定する。一時的成長基板を除去する方法は限定的なものではなく、別な方法には化学エッチング、ラップ研磨／研磨、反応性イオン・エッチング及びイオン摩砕が含まれる。成長基板の除去には更に、吸収性の基板と接触する層の一部又は全部を除去することも含まれる。
【００１４】
次に第２基板がＬＥＤ構造にウェーハ・ボンディングされる。好適な実施例では、第２のウェーハが導電性であり、透光性である。吸収性基板と対照的に、透光性基板は性能向上層である。ウェーハ・ボンディングはＬＥＤ構造の最上又は最下層で行うことができる。従来は、ＬＥＤ装置は素子のｐ−ｎ接合に適宜にバイアスを加えるために対向端に電極を備えているので、透光性基板と成長層との境界面の抵抗率を最小限にすることが重要である。所望の抵抗特性の達成を促進するためにインジウムを含む成分を使用することが提案されている。Ｉｎ含有成分の他に、表面移動度が高く、拡散性が高く、及び／又は物質移動特性が優れたその他の成分（例えばＨｇ含有、Ｃｄ含有およびＺｎ含有成分）を固体ウェーハ・ボンディングの用途で使用すれば有利である。
【００１５】
前述の方法を採用する際の関心事の一つは、一時的成長基板の除去の後は、残りのＬＥＤ構造が例えば１０μｍ未満と極度に薄く、従って壊れやすく、処理し難いことである。第２の実施例では、一時的成長基板は第２の基板をＬＥＤ構造の最上層に取り付けた後で初めて除去される。第２基板をエピタキシャル成長させるのではなくウェーハ・ボンディングすることによって例えば８ミル又はそれ以上の厚い基板を取り付けることが可能になる。この第２基板は透明なものでよく、光学的な放出及び電流拡散のための性能向上層として役立ち、及び／又は成長基板を除去し、成長基板がそこから除去されるＬＥＤ構造の側面で透光性基板の第２のウェーハ・ボンディングを実行する工程の間、機械的な安定性を向上させるための手段としてだけ役立つ。機械的安定性だけが必要である場合は、この第２の基板を第２のウェーハ・ボンディング工程を実施した後に引き続いて除去してもよい。
【００１６】
ウェーハ・ボンディング技術を採用する最も明らかな用途は光吸収性基板が除去され、透光性基板と置き換えされる用途であるが、これに限定されるものではない。一時的成長基板は電流拡散能力を制限する導電性が低い透光性の基板でよい。このような基板は究極的にはＬＥＤの効率を制限するであろう。そこで、導電性がより高い透光性の基板と置き換えるために透明な一時的成長基板を除去することによって、装置の性能を高めることができよう。同様にして、導電性が低い一つの吸収性層を導電性がより高い吸収性層と置き換えることができる。
【００１７】
前述の方法はウェーハ接合層を有する発光半導体装置を形成するものである。「ウェーハ接合層」とはここではウェーハ・ボンディングを行った層の特徴とする特性を示す層もしくは基板であると定義される。このような特徴の一つはエピタキシャル成長された不整合のヘテロ境界面と比較して、ウェーハ・ボンディングされた境界面で形成される適合しない転位の性質が異なるものと考えられる。ウェーハ・ボンディングがなされた境界面は主として「エッジの転位（ｅｄｇｅ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）」、すなわちそのバーガース・ベクトルがウェーハ・ボンディングされた境界面にある転位からなる不整合転移を呈するものと認められている。これらの特性は代表的にはより高い「拡散転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）  」、すなわち不整合の境界面に限定されず、境界面に対して垂直に伝播しようとする転位を呈するエピタキシャル成長された不整合境界面とは対照的である。
【００１８】
本発明の別の実施例では、層は後になって除去される必要がない第１の成長基板上でエピタキシャル成長される。Ａ１含有のＩＩＩ−Ｖ半導体の多くは湿気のある環境では不安定であり、加水分解によって劣化する。このような劣化によって、厚さが相当なＡｌ含有ＩＩＩ−Ｖエピタキシャル層を含むＬＥＤに信頼性に関する問題点が生ずることがある。例えば、図２２に示したようなＡｌＧａＡｓのＬＥＤは湿気のある高温下での信頼度検査中にＡｌ含有率が高い層の酸化の結果として劣化する。この劣化はウェーハ・ボンディングを採用することによって軽減する可能性がある。例えば、Ａｌ含有率が高く厚い層（エピタキシャル層２８）の大部分をＡｌ含有率が高くない、厚い透光性、導電性のウェーハ接合層と置き換えることができる。同様にして、ＧａＰのウェーハ接合層を透明基板２４の大部分と置き換えることができる。すなわち、不活性化を達成するためにウェーハ・ボンディング技術を利用することができる。
【００１９】
別の実施例では、ＬＥＤ構造を形成するＬＥＤ層に導電性ミラーをウェーハ接合することができる。次にミラーの方向に放射された光線がＬＥＤ構造に反射して、装置の効率が高められる。この実施例では、ミラーは吸収性の基板でも透光性基板でもよい基板によって支持される。何故ならば、光線は基板自体には到達しないからである。
【００２０】
ウェーハ・ボンディングは更に、いかなる光学的利点をも無視して機械的安定性及び／又は熱安定性を高めるために利用できる。例えば、安定性を高めるために頑丈なＩＩＩ−Ｖ半導体ウェーハ又はＳｉＣウェーハをＩＩ−ＶＩＬＥＤ構造に接合することができる。
【００２１】
更に別の実施例では、ウェーハ接合される少なくとも一つのウェーハ表面が、ウェーハの電気的及び／又は光学的特性が選択的に変化するようにパターン形成される。例えば、ＬＥＤの能動領域に所望の電流経路を形成するためにウェーハ・ボンディングに先立って選択された領域に窪みを形成してもよい。応用例の可能性としてはＬＥＤに電圧を印加し、スポット・エミッタの製造を簡単にするために金属化された電極に向ける光線を低減することが含まれるが、これに限定されるものではない。パターン形成は更にウェーハ表面に沿った光学特性を変化させて、光線を所望の態様で再配向させることにも利用できる。
【００２２】
前述のように、ウェーハ接合境界面は電気抵抗率が低く、機械的強度が高いことが好ましい。所望の抵抗特性と構造上の完全性を達成する上でファンデルワールス力は一般には有効ではないことも判明している。圧力と高温処理の組み合わせが所望のオーム及び機械的特性をより確実に達成するということも判明した。更に、高温下で圧力を加えることによって、ウェーハが互いに適合し、特に比較的厚い層を接合する際にウェーハ表面の不平滑性に起因する何らかの問題点を最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の利点はこの方法によって製造されるＬＥＤの性能が増強されることにある。光線放出及び電流拡散の双方が向上する。別の利点は、ウェーハ・ボンディングは基板のエピタキシャル成長による制約を受けないので、８ミル又はそれ以上の厚い基板をコスト効率よく形成できることにある。基板が厚いことによって取扱及び素子への装着特性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１を参照すると、本発明を実施する第１の工程は、複数個のＬＥＤ層をその上で順次成長させる第１基板として成長基板３０を選択することである。好適な実施例では、成長基板３０はＬＥＤ層の製造後に除去される一時的成長基板である。この実施例では、成長基板の電気的、光学的特性は製造されるＬＥＤの動作には関係ないので、成長基板はＬＥＤ層の成長に影響する特性に関してだけ選択することができる。例えば、格子整合は一般に成長基板を選択する上で配慮される重要な側面である。しかし、実施例によっては成長基板は残されるので、その実施例では成長の適応性以外の特性が重要になる。
【００２５】
一時的成長基板３０の例は厚さが２５０ないし５００μｍの範囲内のＧａＡｓ基板である。次に四つのＬＥＤ層３２，３４，３６及び３８が成長基板３０上で成長される。ＬＥＤ層３２−３８は液相エピタキシ、気相エピタキシ、金属有機化学蒸着及び分子ビーム・エピタキシを含む多様な公知の方法の何れかを利用して成長させることができる。ＬＥＤ層３２−３８は二重ヘテロ接合ＬＥＤを形成するが、本発明はどの種類のＬＥＤ装置にも利用できる。
【００２６】
成長基板３０の真上のＬＥＤ層３２はｎ−ドーピングされた緩衝層であるが、成長基板（３０）と結合された第２側面ともなる。緩衝層の上方ではｎ−ドーピングされた下部のＡｌＧａＩｎＰ密封層が成長される。下部の密封層のＬＥＤ層３４の厚さは例えば８００ナノメートルである。
【００２７】
ＡｌＧａＩｎＰの能動層となるＬＥＤ層３６は厚さが例えば５００ナノメートルまで成長される。次にｐ−ドーピングされたＡｌＧａＩｎＰの上部密封層となるとともに、第１側面ともなるＬＥＤ層３８の模範的な厚さが例えば８００ナノメートルである。電流の拡散を促進することによって、ＬＥＤ構造の性能を向上するために、透明で、ＬＥＤ層３４，３６及び３８よりも導電性が高いウインドゥ層をオプションとして上部密封層となるＬＥＤ層３８の上で成長させてもよい。このようなウインドゥ層はフレッチャー（Ｆｌｅｔｃｈｅｒ）他の米国特許明細書第５，００８，７１８号に記載されている。
【００２８】
ＬＥＤ層３２−３８内ではある程度の光吸収性及び電気抵抗率の誤差が許容される。それはこれらの層が充分に薄く、最適な特性を達成するために素子の性能を著しく妥協しなくてもよいからである。しかし、光吸収性の一時的成長基板３０は明確に性能に影響を及ぼす。さて、図２を参照すると、成長基板は既に除去され、成長層であるＬＥＤ層３２−３８によって形成されたＬＥＤ構造が残されている。成長基板の除去は、化学エッチング、ラップ研磨／研磨、反応性イオン・エッチング及びイオン摩砕を含むそれらの組み合わせの方法で達成できる。後に詳述するように、成長基板を除去する方法は除去した後で清浄で平坦な表面が現れる限りは限定的なものではない。成長基板に加えて、緩衝層であるＬＥＤ層３２の全部、又は一部を除去し、下部の密封層であるＬＥＤ層３４の一部を除去することができる。
【００２９】
一時成長基板を除去した後、性能向上基板が図２に示したＬＥＤ構造４０の最下層のＬＥＤ層３２又は最上層のＬＥＤ層３８の何れかに接合される。接合されるべきウェーハの位置はＬＥＤ構造４０、及び成長層３２−３８及び／又は接合される基板の電気的及び光学的特性に左右される。ウェーハ・ボンディング技術が採用される。ウェーハ・ボンディングによってＬＥＤに性能増強基板を付与する別の方法と比較して多くの利点が得られる。
【００３０】
図３は透明層として使用され、また永久基板でもある導電性、透光性基板４２が緩衝層であるＬＥＤ層３２にウェーハ接合された実施例を示している。ウェーハ・ボンディングには透光性基板を成長させる必要がなくてもこれを得られるという利点をもたらす。好ましくはウェーハ接合された導電性、透光性基板４２は８ミルを超える厚さを有している。従来の技術を使用してこれに匹敵する厚さを有する基板を成長させることは困難であるか、不可能であり、可能であるにしても極めて長時間を要するであろう。ＬＥＤ構造４０の比較的薄い層であるＬＥＤ層３２−３８だけを成長させればよいので、エピタキシャル成長に要する時間を劇的に短縮でき、それによって処理量を最大限にすることができる。更に、ウェーハ・ボンディング工程によってエピタキシャル成長される透光性基板と比較して機械的特性が増強された厚い装置が得られる。その結果産出されるＬＥＤ装置は取扱いが一層容易になり、破損しにくくなるので、製造がより簡単になり、装置の産出量が増大する。ウェーハ・ボンディングは更に装置の底部からｐ−ｎ接合部を変位するために利用してもよく、それによって従来のように装置を導電性銀含有エポキシに実装する際に装置が短絡回路とする可能性が軽減される。
【００３１】
さて図４を参照すると、製造工程の残りには標準型のＬＥＤ技術が含まれる。電極４４が例えば蒸着によって上部密封層であるＬＥＤ層３８上に形成される。電極を形成する代表的な材料は金−亜鉛合金である。第２電極４６は導電性、透光性基板４２上に形成される。この場合も蒸着が用いられるが、それに限定されるものではない。代表的な材料は金−ゲルマニウム合金である。
【００３２】
場合によってはウェーハ・ボンディングと適応化するために上記の工程を修正することが望ましいか、又は必要でさえあることがある。例えば、図５では、ＳｉＣ基板の永久基板でもある第２基板４８が図１の構造にウェーハ接合されている。すなわち、第２基板は一時的成長基板３０を除去する前にウェーハ接合される。第２基板４８は６ミルを超える「厚い」層であることが好ましい。成長基板３０を除去する前にウェーハ接合することによって、エピタキシャル層のＬＥＤ層３２−３８が基板によって支持されない時間がなくなるので、装置の機械的な安定性は大幅に向上するであろう。別の選択として、ウェーハ・ボンディングの前に緩衝層を第２基板４８上にエピタキシャル成長させてもよい。このようなエピタキシャル緩衝層は緩衝層であるＬＥＤ層３２の底部で成長基板３０と置き換えられる層と共に使用してもよい。
【００３３】
別の実施例では、図１の装置は透光性、又は吸収性の成長基板３０上で成長されるＬＥＤ層３２−３８を有する従来形の構造のものでよい。その場合は図５のウェーハ接合層による第２基板４８は、フレッチャー（Ｆｌｅｔｃｈｅｒ）他の米国特許明細書第５，００８，７１８号を参照して前述した電流拡散ウインドゥ層のような厚い、導電性、透光性の層となろう。更に、最上層の第２基板４８を接合した後、光線放出及び／又は電流拡散特性を向上させる理由から、元の成長基板３０を除去し、別の性能向上基板を残りの構造の底部にウェーハ接合することも可能である。
【００３４】
更に、図１の素子は導電率が低く、装置の電流拡散力が限定される従来形の透光性層の成長基板３０を有しているものでもよい。この場合は、導電率がより高い透光性基板をウェーハ接合することが望ましい。導電率が高まると、装置の性能が向上しよう。置き換えの透光性基板が導電率の低い露出したＬＥＤ層にウェーハ接合される。導電率がより高い置き換えの透光性基板を、導電率が低い透光性層の除去の前又は後にＬＥＤ構造にウェーハ接合することができよう。
【００３５】
同様にして、吸収性の一時的成長基板を導電率がより高い吸収性基板と置き換えてもよい。吸収性層を取り付けるためにウェーハ・ボンディングを利用することは好適な本実施例ではないが、このようなウェーハ・ボンディングでもＬＥＤ素子の性能を同様に向上させるであろう。
【００３６】
さて図６を参照すると、ウェーハ・ボンディングは図１又は図３の何れかの構造を不活性化するためにも利用できる。多くのＡｌ含有ＩＩＩ−Ｖ半導体は、このような半導体が加水分解により劣化し易いので、湿気のある雰囲気では不安定である。このような劣化によって相当の厚さのＡｌ含有ＩＩＩ−Ｖエピタキシャル層のＬＥＤ層３０−３８を含むＬＥＤに信頼性の点で問題が生ずることがある。例えば、劣化は湿気がある高温下で使用中にＡｌ含有率が高い上部の密封層であるＬＥＤ層３８の酸化に起因する場合がある。Ａｌ含有層の大部分をＡｌ成分の含有率が低い厚い、透光性、導電性のウェーハ・ボンディング層と置き換えれば、劣化は防止できる。例えば、ウェーハ・ボンディング層５０はＧａＰでよい。
【００３７】
図３を再び参照すると、導電性、透光性基板４２とＬＥＤ構造４０との間の所望の電気的接続は金属化の実施によって保証することができる。例えば、ウェーハ接合される導電性、透光性基板４２の上面に薄い接点領域を形成することができる。対応する接点領域をＬＥＤ構造の最下層のＬＥＤ層３２に形成することができる。厚さが１０００オングストローム未満の接点が好ましい。適正な電気的接点を確保するためには接点のパターンは充分に大きいことが必要であるものの、接点が占める総面積は、ＬＥＤ構造と導電性、透光性基板４２との境界面が透光性基板への、又、透光性基板からの光線の透過を可能にするのに充分小さいことが必要である。接点は合金でも、非合金でもよい。そこで基板の表面が最下層のＬＥＤ層３２の表面と接触され、装置は温度を上昇して熱処理される。熱処理によって金属化されない領域でのウェーハ・ボンディングが達成され、金属化された接点での接合がなされる。
【００３８】
半導体−ガラス接合において、半導体−半導体接合と比較して優れた接合強度が認められた。半導体−半導体接合と比較して同様のことが、半導体−ＳｉＯ２接合の場合にも認められる。このように、機械的な完全性の観点から、半導体−ガラス−半導体の挟装層、又は半導体−ＳｉＯ２−半導体の挟装層を製造することによって透光性基板のＬＥＤを形成することが望ましいだろう。図７を参照すると、ガラス又はＳｉＯ２、又はその他の酸化物の層５２を導電性、透光性基板５４上に形成することができる。次に層５２がパターン形成されて、直前に述べた実施例の場合のように接点金属化領域５６が付与される。あるいは、又はそれに加えて、ＬＥＤ構造４０の最下層のＬＥＤ層３２上に酸化物及び／又は接点金属化領域５８にパターン形成してもよい。この場合も、接点は良好な電気的接触用に充分な面積を付与し、同時に境界面を依然として大幅に透光性にするようにパターン形成される必要がある。次に層５２の表面が緩衝層であるＬＥＤ層３２の表面と接触され、処理によって層の間のウェーハ接合が形成される。熱処理によって材料相互間の接合強度が増強される。
【００３９】
さて図８を参照すると、前述のＬＥＤ構造４０はミラー６０にウェーハ接合することができる。ミラー６０はそこで下方に放射された光線、又は先に反射された内部光線を反射する。反射によって装置の光線出力が高められる。ミラー６０は基板６２によって好適に支持される。光線は基板に到達する前に反射されるので、基板の光学特性は関係がない。
【００４０】
ミラー６０と基板６２はＬＥＤ構造４０にバイアスを加えるために電極を基板に接合できるように、導電性材料から成る必要がある。更にミラーはエピタキシャル成長又は溶着されたブラッグ・リフレクタから成っているものでもよいことに留意されたい。基板６２を形成するためにシリコン、ＧａＡｓ又は同様のある種の材料を使用できる。装置が高温下で、又は高電流下で動作される場合、これらの材料の幾つか、例えばＳｉは熱伝導率が比較的高いので、これらの材料によって装置を更に向上させることができる。
【００４１】
ウェーハ・ボンディング工程を利用して積層ＬＥＤ装置を形成することもできる。このような素子は図９に示されている。境界面が装置を通して高い導電率が保持されるような境界面である場合は、複数のＬＥＤ構造４０と６４とを互いに接合でき、且つ（又は）別の層と接合できる。上部のＬＥＤ構造４０のＬＥＤ層３４と３８のトーピングの形式は下部のＬＥＤ構造６４の層７０及び６６のそれぞれのドーピングの形式と対応する。従って、二つのＬＥＤ構造４０と６４とは同じ極性で配置されている。更に、ウェーハ接合される表面は極めて重くドーピングされるように準備される必要がある。このようにして、構造が互いに接合される際に、ＬＥＤ構造と逆の極性を有する重くドーピングされたトンネル接合部７２が形成される。あるいは、トンネル接合部は、この接合部の露出表面にウェーハ・ボンディングを行いつつ、ＬＥＤ構造の一部としてエピタキシャル成長させてもよい。
【００４２】
図９の装置は個々のＬＥＤ構造４０及び６４が順方向にバイアスされるように、上部電極７４に電圧を印加し、下部電極７６に電圧を印加することによって動作される。下部電極は導電性、透光性基板７８上のパターン化された金属化層である。積層装置の順方向バイアスは重くドーピングされたトンネル接合部７２に逆バイアスを加え、それによってトンネル接合部を導電性にする。このようにして、光線出力と効率を高めるために任意の数のＬＥＤを互いに積層することができる。ＬＥＤ構造４０及び６４の積層から成るＬＥＤ装置は、それが互いに積層されていない場合の個々のＬＥＤ構造の電圧の総計で動作する。能動層であるＬＥＤ層３６と能動層６８とが同じ放射エネルギを有することは決定的に重要ではない。しかし、導電性、透光性基板７８は個々のＬＥＤ構造の放出エネルギよりも大きいエネルギ・ギャップを有していることが好ましい。導電性の形式の全てが反転された場合も積層を形成できることに留意されたい。
【００４３】
ＬＥＤの形成に際して任意の数の基板をウェーハ接合することができる。好適な実施例では、ウェーハ結合層は厚さが１ミルを超える半導体である。許容できる材料にはＳｉ，Ｇｅ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＳｉＣ，又は上記の合金の任意の組合せが含まれる。ウェーハ接合基板は市販のものでもよく、又は、市販の基板にエピタキシャル成長層を付加したものでもよい。エピタキシャル成長層を付加する理由は例えば基板の接合強度を高めたり、ウェーハ接合の境界面の導電率を高めるためである。ウェーハ接合基板は単独で、一時的成長基板から除去された前述の材料の厚い、すなわち１ミル以上のエピタキシャル層であることもできる。更に、ウェーハ接合層は一時的成長基板上に形成された、例えば２μｍのより薄いエピタキシャル層であってもよい。その後、このような層がウェーハ接合され、引き続いてこの成長基板が除去される。
【００４４】
図１０はパターン形成された第１の層としての半導体ウェーハ１２６が、上部の密封層１３０と、能動層１３２と、下部の密封層１３４とから成るＬＥＤ構造１２８にウェーハ接合される実施例を示している。ＬＥＤ構造は基板１３６上で成長させるか、又は、基板１３６にウェーハ接合されることができる。パターン形成された半導体ウェーハ１２６は図５を参照して説明したような電流拡散ウインドゥでよいが、これに限定されるものではない。パターン形成された半導体ウェーハ１２６は第１の表面としての下部表面１３８が窪み１４０を形成するためにエッチングされる。窪みを設けることによってパターン形成された半導体ウェーハがＬＥＤ構造と接合される際に電気的特性と光学的特性の双方が変化する。
【００４５】
図１１では、パターン形成された半導体ウェーハ１２６がＬＥＤ構造１２８の上部の密封層１３０にウェーハ接合されている。次に電極１４２及び１４４Ａがパターン形成された半導体ウェーハ１２６の上部表面と基板１３６の下部表面上に形成される。パターン化されたウェーハ内の窪み１４０は空洞もしくは空隙を形成する。電極１４２に電圧を印加することによってＬＥＤ構造１２８に電流が導通するが、図１１の電流の流れの矢印が示すように、空洞の真下の領域には電流は流れない。
【００４６】
電極の領域は一般に吸収性の領域である。その結果、図１１に示したような限定された電流の流れによってＬＥＤ装置の効率が向上し、電流導通経路を選択する複雑ではない方法が得られる。
【００４７】
ディスプレー及びスポット・エミッタのようなその他のＬＥＤ装置も限定された電流の流れによって利点が得られる。図１２は基板１４６上にＬＥＤ構造１４４を備えたスポット・エミッタ１４２を示している。窪み１４８と１５０はウェーハ・ボンディング層１５２内に形成されている。ＬＥＤ構造とウェーハ・ボンディング層との境界面の空洞は、電極１５４及び１５６から境界面への電流の流れを限定する機能を果たす。窪みが境界面での電気的接触領域を限定するので、限定された電流導通経路によって窪み１４８と１５０との間に電流注入領域が得られる。スポット・エミッタ１４２を光ファイバ素子に結合するような用例では、中央領域での電流の流通と光線出力が望ましい。好適な実施例では、窪み１４８と１５０は単一の環状空洞の異なる部分であり、この空洞内では内径が中央の電流注入領域を形成する。
【００４８】
ウェーハ接合される半導体ウェーハのパターン形成は、ＬＥＤ層から放射された光線を戦略的に再配向することにも有利に利用できる。光線の再配向は装置の幾何的形状や、用途や取付け方法によって異なる。その一例が図１３に示されている。ＬＥＤ層１５６Ａは上層１５８と下層１６０との間に挟装されている。外部層１６２と１６４は反対側でウェーハ接合される。電流が非接合領域に拡散できるように、非接合領域１６６，１６８及び１７０は電極１７２から充分に離れた部位に形成される。しかし、そうしなければ電極によって吸収されてしまう光線を再配向するために、空洞は電極には充分に近くにある。このようにして光線放出の向上を実現可能である。
【００４９】
電極１７２からＬＥＤ層１５６Ａへの電流の導通は非接合領域１６６，１６８及び１７０によってほとんど影響されないが、ＬＥＤ層からの光線は影響される。光線の再配向は非接合領域１６６，１６８，１７０と隣接する層との屈折率の差の結果として生ずるものである。周囲の半導体の屈折率は約３でよく、一方空洞内の屈折率は約１である。非接合領域での正確な屈折率は半導体ウェーハの接合方法によって左右される。代表的には、接合はＨ２又はＰＨ３のような気体環境で行われる。従って、空洞には気体が充填されることになろう。このような気体は標準気圧及び温度では極めて１に近い屈折率を有している。半導体の屈折率は最適には光線が空洞内で閉込められないように空洞の屈折率よりも大きいが、これは厳密なものではない。
【００５０】
ＬＥＤ用にパターン形成された半導体ウェーハの接合を行う別の方法は、ＬＥＤ層にパターン形成された、又はされない基板に接合する前にＬＥＤ層の一つにパターン形成する方法である。図１４では、パターン形成されたＬＥＤ層１７４は窪み１７６を設けている。パターン形成されたＬＥＤ層１７４は当初からエピタキシャル成長されたものでもよく、又は基板１８０下に位置するＬＥＤ層１７８にウェーハ接合されたものでもよい。窪み１７６の形成に引き続いて、第２基板１８２がパターン形成されたＬＥＤ層の上表面にウェーハ接合される。あるいは、ＬＥＤ層１７４及び／又は第２基板１８２にパターン形成してもよい。更に、少なくとも一方にパターン形成された二つの層を別個にウェーハ接合し、次に二つの層をＬＥＤエピタキシャル層にウェーハ接合することも可能である。
【００５１】
再度図１０を参照すると、窪み１４０は標準のエッチング技術を利用して半導体ウェーハ１２６に形成できる。接合されるウェーハの表面にパターン形成するために、技術上周知の別の方法も利用できる。単なる例示として挙げると、別の方法には逆バイアスされた埋設ｐ−ｎ接合部を形成するための選択的拡散又はイオン注入や、選択的なパターンで絶縁酸化層を成長又は蒸着する方法や、利用できる種々の方法の任意の組合せ等が含まれる。酸化層に関しては、殆どの酸化物の屈折率は約１．６であり、これはエッチングとウェーハ・ボンディングによって形成される前述の空洞と同様に光線を再配向するに充分な屈折率である。
【００５２】
パターン形成されたウェーハ・ボンディングの試験がｎ−ＧａＰ基板を使用して行われた。パターン化されたｎ−ＧａＰ基板が後述する技術を用いてパターン形成されないｎ−ＧａＰ基板に結合された。パターン形成された基板は直径が約１７５μｍで深さが約１５μｍの環状窪みをエッチングすることによって形成された。窪みは１２５μｍだけ間隔を隔てられた。このような寸法で基板のパターン形成は容易に達成でき、接合は基板を劈開できるのに充分な機械的強度を有していた。約４０μｍであるより小さい窪みも実験された。１０μｍ未満の寸法にまで縮小範囲を広げることも可能であり、微細なスケールの電流限定及び光線拡散能力が得られよう。パターン形成されたウェーハが接合された領域間に電流の導通を可能にし、同時に接合されない空洞での電流の流れを防止するように、後述する技術を利用してｎ−形又はｐ−形の何れかのユニポーラ接合用の、電気抵抗が低いＧａＰ−ＧａＰ接合及びＩｎＧａＰ−ＧａＰ接合も達成された。
【実施例】
【００５３】
図１５は一対のウェーハ８０のウェーハ接合を達成するための公知の装置を示している。一対のウェーハは第１の黒鉛部材８４と対面している。第１黒鉛部材内の溝付き領域８２の面積は０．５インチ×０．８インチである。第２黒鉛部材８６は第１黒鉛部材から突設した位置合わせピン９０を受容する位置に穴８８を備えている。互いに接合される一対のウェーハ８０の厚さをラン−ツー−ランで変化させるために、黒鉛シム（図示せず）を溝付領域８２内に配設することができる。
【００５４】
第１と第２黒鉛部材８４及び８６を位置合わせピン９０を利用して接合した後、アセンブリが密着嵌め石英管９２内に挿入され、この石英管は次に開管形加熱炉に装入される。１．０リッター／分の流速のＨ２雰囲気で温度が８５０−１０００℃まで上昇される。温度周期は所望の温度へ傾斜させる期間、その後、５秒ないし１時間熱処理する期間からなる。次に冷却期間が続く。
【００５５】
加熱中、一対のウェーハ８０が圧縮される。圧縮力は石英管９２の熱膨張係数（５．５×１０−７／℃）と、第１と第２黒鉛部材８４及び８６の熱膨張係数（８．４×１０−６／℃）との差によって生ずる。更に、ウェーハ８０の熱膨張係数（例えばＧａＰの場合は５．８×１０−６／℃）は相当であるので、圧縮力を更に促進する。上昇した温度で、ＩＩＩ−Ｖ半導体ウェーハがやや塑性を示す。その結果、ウェーハ表面は圧縮されると互いに順応してウェーハ表面のムラが補償される。
【００５６】
図１５のウェーハ・ボンディング装置に装荷する前に、ウェーハ８０は清浄にしてウェーハ表面から汚れや酸化物を除去しなければならない。有機汚染物は一般に脱脂技術によって除去される。材料がＩｎｘＧａ１−ｘＰ及びＧａＰである場合は、酸化物は代表的にはＮＨ４ＯＨでエッチングされることによって除去される。エッチングの後、ウェーハから残余のＮＨ４ＯＨを除去するためにウェーハは直ちにメタノール中に置かれる。接合される表面はサンプルがメタノール中にある間、接触状態にされている。
【００５７】
次に接触しているウェーハ８０からメタノールが除去される。メタノールは速やかに蒸発し、ウェーハ８０はファンデルワールス力によって結合状態に留められる。しかし、ファンデルワールスによる接合には一般に充分な機械的強度がなく、一般に前述のようなＬＥＤ装置の製造で使用されるのに充分な導電性が得られない。従って、更に別の固体接合が必要である。そこで図１５のウェーハ・ボンディング装置が使用される。
【００５８】
下記の実験の場合、ウェーハはＧａＰ：Ｓ（ｎ〜５×１０１７ｃｍ−３）の基板〔（１００）＋（１１０）の方向に２°、又は（１００）＋（１１０）の方向に１０°〕と、（ＧａＡｓ上で成長せしめた厚さ２ミルの気相エピタキシＧａＰから作成された）ＧａＰ：Ｚｎ（ｐ〜２×１０１８ｃｍ−３）「疑似基板」から成っている。ＧａＡｓ：Ｔｅ（ｎ〜５×１０１７ｃｍ−３）上で金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって成長させた約１μｍのＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ：Ｔｅ（ｎ〜１×１０１８ｃｍ−３）、及びＭＯＣＶＤによってＧａＡｓ上で成長させたＩｎ０．５（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｐ二重ヘテロ構造のＬＥＤとから成る層も用いられた。ＧａＡｓ基板は（１１０）の方向に（１００）＋２°の配向であった。固体ウェーハ・ボンディングの後、露出表面の熱損傷は一般にＨＣＬ：ＨＮＯ３：Ｈ２Ｏ（１：１：１）中でのエッチングによって除去される。次にウェーハはｎ形接点用にＡｕＧｅで金属化され、及び／又はｐ形接点用にＡｕＺｎで金属化され、合金化され、チップへと切断される。
【００５９】
二つのウェーハ・ボンディング層のウェーハ８０の境界面で所望の電気抵抗特性を達成するように上記の工程を実行する上で考慮するべき重要な点は、接触前のウェーハの表面の処理であることが判明した。前述したように、好適な工程にはウェーハをＮＨ４ＯＨでエッチングして表面処理し、その後、ウェーハ８０がメタノール溶液中浸漬中に表面を互いに接触して接合する工程が含まれる。これらの二つの工程に含まれる処理の後に接合されるウェーハが、ＨＦ：脱イオン水（１：１０）でエッチングし、次に脱イオン水で濯ぎ、Ｎ２で乾燥させた別の処理工程の後に接合されたウェーハと比較された。双方の場合とも、接合されたウェーハはｎ形ＧａＰ基板と、（ＧａＡｓ：Ｔｅ上の）ｎ形Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐから成るものであった。別の表面処理工程の後に、ウェーハは図１５のウェーハ・ボンディング装置内に装荷された。ウェーハは同様に１０００℃で１時間熱処理された。ＮＨ４ＯＨ−メタノールで処理されたウェーハの場合、電流−電圧特性によって明確に、比較的低抵抗の抵抗接合が示された。ＨＦ：脱イオン水でのエッチングにより処理されたウェーハは、接合されたウェーハの境界面で「障壁」が形成されたかのように非抵抗特性を呈した。このような非抵抗特性は一般に一つのウェーハ接合された基板から別のウェーハ接合された基板へと電流が導通されるべき用途には許容されない。
【００６０】
ＮＨ４ＯＨ−メタノールによる表面処理はｎ形ＩｎＧａＰをｎ形ＧａＰに接合する場合、現在のところ所望の電気的抵抗特性を達成する好適な処理であるものと考えられる。ＮＨ４ＯＨでエッチングし、メタノールで濯ぎ、接触前にＮ２で乾燥させるような別の表面処理では非抵抗特性が生じる。しかし、（ｎ形ＧａＡｓ：Ｔｅ上の）ｎ形Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐを（ＧａＡｓ：Ｔｅ上の）ｎ形Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐと接合するために同じ処理を行った場合、所望の抵抗結合特性が生じた。この差異はこの表面処理がＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐには充分であるが、ＧａＰから酸化物を全て除去することはできないことによるであろう。この差異の原因として考えられる別の説明としては、Ｉｎ含有成分の場合には接合特性が向上したことが挙げられる。
【００６１】
（ａ）ｎ形のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐに接合されたｎ形のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐからなる固相接合されたウェーハと、（ｂ）ｎ形のＧａＰに接合されたｎ形のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐから成る固体接合されたウェーハとの比較がなされた。双方の組のウェーハとも所望の電気的抵抗特性を有するウェーハ結合が得られた。しかし、（ａ）ユニポーラのｎ形のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐの接合は、（ｂ）ユニポーラの単極のｎ形のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／ＧａＰ接合と比較して境界面で著しく低い抵抗を呈した。（ａ）の場合は抵抗は約１．５オームであり、一方、（ｂ）の場合は抵抗は約５オームであった。（２０×２０ミルのダイ）あるいは、抵抗がより低いＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐの接合は、１０００℃で達成されるＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／ＧａＰの接合と比較して、約９７５℃のより低温でウェーハ領域全体に亘って形成可能である。
【００６２】
実験の結果は、ＬＥＤの製造で使用される固体ウェーハ・ボンディングにはＩｎ含有成分が望ましいことを示している。その理由として可能な一つの説明としては、半導体ウェーハの接合工程の間、材料がせん断応力、蒸発−凝結、及び物質移動によって材料が転移可能であることが挙げられる。Ｉｎ含有成分に認められる接合の増強は、Ｇａ原子と比較してＩｎ原子の表面移動度が高く、又は、ＧａＰと比較してＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐの物質移動特性が優れている結果として望ましいものである。更に、ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓ構造では拡散度が比較的高いことが知られている。同様に、Ｉｎは固相ウェーハ・ボンディング工程中に拡散、又はＧａＰと合金して、接合された境界面の周辺でＩｎｘＧａ１−ｘＰ（ｘ＜０．５）合金を形成することができる。
【００６３】
Ｉｎ含有成分に加えて、同様の特性、すなわち原子の表面移動度が高いこと、及び／又は物質移動特性の向上という特性を有する別のＩＩＩ−Ｖ、又はＩＩ−ＶＩ成分も固体ウェーハ・ボンディング用に有利に利用できる。従って、Ｈｇ含有、Ｃｄ含有、及びＺｎ含有成分はこのような用途での主要な候補である。
【００６４】
所望の電気的抵抗特性を備えた固体ウェーハ接合を形成する別の重要なパラメタは、図１５の装置内でウェーハ８０を熱処理する場合の温度分布である。図１６は二つの異なる温度分布を示している。上部の温度分布では、１０００℃までの「迅速な」傾斜（ｒａｍｐ）が示され、一方、下部の温度分布は１０００℃までの「緩速の」傾斜が示されている。何れの場合も、１０００℃まで傾斜した後に１時間の熱処理が行われる。同様の冷却用温度分布が示されている。
【００６５】
下部の「緩速の」傾斜によって一般により低い温度で、又、実質的により大きい面積に亘る抵抗結合が生ずる。この現象は高温逓昇の一部の期間中、圧縮されない接合表面により生ずるものである。それによってウェーハ・ボンディングに先立ち、ある程度の表面分解、又は熱による酸化物離脱が可能になろう。更に、このような差異は「緩速の」傾斜による有効な熱処理が長いことに起因するものであろう。しかし、この作用はｎ形とｎ形のウェーハの接合のみに認められるものである。このような依存性はｐ形とｐ形のウェーハの接合では認められなかった。
【００６６】
ｎ形のウェーハよりもｐ形のウェーハ相互間の抵抗接合の方が容易であることはある程度明らかである。ｐ−ＧａＰとｐ−ＧａＰの、又、ｎ−ＧａＰとｎ−ＧａＰのウェーハ・ボンディングが実行された。双方の場合とも、接合は１時間に亘って１０００℃で行われた。ｎ形とｐ形の双方の接合ともサンプルの全領域に亘る抵抗接合が生じた。しかし、接合抵抗は１２×１２ミルのチップの場合、ＧａＰ／ＧａＰ  ｎ形ユニポーラ・ウェーハ接合の場合（約５オーム）よりも、ＧａＰ／ＧａＰ  ｐ形ユニポーラ・ウェーハ接合の場合（０．９オーム未満）の方が大幅に低かった。ｎ形ドーパーントと比較してｐ形ドーパーントの拡散率が高いことによってｐ形サンプル相互間の抵抗接合を形成し易いことになる。
【００６７】
吸収性ＧａＡｓ構造を除去し、透光性ＧａＰ基板をＩｎ０．５（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｐ  ＬＥＤに固体ウェーハ接合することによって、元の吸収性ＧａＡｓ成長基板を残したままの同じＬＥＤ基板と比較して約２倍という光線出力の顕著な向上が達成された。
【００６８】
図１５のウェーハ・ボンディング装置は所望の結果を達成するものの、この装置では残念ながら温度に関わりなく圧縮力を加えることができない。すなわち、この装置は材料の熱膨張の結果として圧縮力を生ずるので、圧力と温度を別個に制御することができない。その結果、図１７及び図１８の反応炉が開発された。図１７は反応炉９４の上面図を示している。反応炉は一対のウェーハを圧縮するための二つの黒鉛部材９６及び９８を備えている。一つの黒鉛部材９６の位置合わせピン１００が別の黒鉛部材９８のノッチ内に受容されている。
【００６９】
黒鉛部材９６及び９８は加熱炉管１０２内に配置されている。後方の黒鉛部材９６は黒鉛部材の弧状開口部１０８内に軸１０６を受容することによって加熱炉管１０２に対して固定位置にある。前方の黒鉛部材９８は加熱炉管１０２内に移動可能である。黒鉛部材９８の開口部１１２内に受容された軸１０４に空気圧ピストンが取り付けられている。空気圧ピストンは黒鉛部材に、ひいては１１０の位置にある一対のウェーハに可変圧を加えるために空気圧制御されている。
【００７０】
図１８を参照すると、一対のウェーハ１１２及び１１４は最初は分離されている状態が示されている。これと対照的に、図１９は二つのウェーハ１２０が最初から接触している第１と第２黒鉛部材１１６及び１１８を示している。図１９の実施例が試験され、予備データは固体ウェーハ・ボンディングを境界面全体に亘って実施できることを示している。温度の関数としての印加圧力の分布はウェーハ１２０の亀裂と破損を最小限にする上で重要である。亀裂の発生はウェーハが柔軟ではない温度で高圧を加えることに起因することがある。
【００７１】
ウェーハ１１２及び１１４を最初に分離できる図１８の実施例は、ウェーハを接合する前にウェーハ表面から酸化物を熱離脱できるので好適であろう。あるいは、接合されるべき表面をある程度分解することが望ましいこともある。図１８の実施例はこのような接合条件を促進するものである。
【００７２】
別の可能性として、ウェーハ表面から酸化物を別個に離脱し、且つ表面をＡｓキャップ又はＰキャップで覆ってそれ以上酸化することを防止することがある。キャップを装着されたウェーハはその後、黒鉛部材の間に配置されよう。キャップはウェーハの表面自体を有効に分離するので、キャップを装着されたウェーハが物理的に接触しているか否かは重要ではない。次にキャップを装着されたウェーハは５００℃を超える温度に加熱されて、ウェーハのキャップが除去され、接合用に酸化物を含まない表面が残される。次にウェーハは押圧されて接触され、固体ウェーハ・ボンディング用に温度が上昇される。
【００７３】
更に、接合中にドープ剤のガスを図１７の加熱炉１０２を通して流通させ、接合される境界面でのキャリヤ濃度を高めることができる。適切なドーパーント・ガスにはＨ２  Ｓｅ、Ｈ２  Ｓ、ＤＥＴｅ及びＤＭＺｎが含まれよう。これはｐ−形接合よりも困難であるとみられるｎ−形結合にとって特に重要である。
【００７４】
図１７の反応炉９４によって図１８の装置で必要であるよりも低い温度で抵抗固体ウェーハ・ボンディングの形成が可能である。温度が低いことによってエピタキシャルＬＥＤ層の層同士の混合が最小限に抑止されよう。より重要である点は、温度が低いことによって装置の層内でのｐ−ｎ接合部の移動が最小限に抑止されることである。
【００７５】
ＬＥＤの用例のためのウェーハ・ボンディングの更に別の用途には、ウェーハの機械的、熱力学的安定性を向上するために安定性に欠ける半導体層に頑強な半導体ウェーハを接合することがある。一つの特定の用例は、機械応力及び熱応力の双方に関してＩＩＩ−Ｖ、ＩＶ、又はＩＶ−ＩＶ半導体よりも一般に安定性に欠けるとみられるＩＩ−ＶＩ  ＬＥＤ構造用の用例である。その結果、ＬＥＤ装置の機械的及び熱力学的安定性の双方又は一方を向上するためにＩＩ−ＶＩ層に頑強なＩＩＩ−Ｖ半導体又はＳｉＣ基板を固体ウェーハ結合することが望ましい。
【００７６】
以上のように、本発明の各実施例について詳述したがここで、ここで本発明の理解を容易にするために、本発明の各実施例の実施態様について要約して以下に列挙する。
１．  所望の機械特性を有する発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）の製造と適応性がある特性を有する第１材料を選択し、選択された第１材料から成る第１基板（３０）を設け、第１基板上に発光ダイオード層を製造することによって発光ダイオード基板（４０）を形成し、発光ダイオード構造の性能の向上に適する透光性材料を選択し、および選択された透光性材料の透明層（４２）を発光ダイオード層にウェーハ・ボンディングする工程とからなる発光ダイオードの製造方法である。
【００７７】
２．  発光ダイオード層を製造する工程は、複数の発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）を第１基板（３０）上でエピタキシャル成長させる工程であり、第１材料には複数の層のエピタキシャル成長と適応性がある格子を得るような材料を選択する前記１に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００７８】
３．  第１の基板（３０）を除去する工程をさらに含む前記１または前記２に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００７９】
４．  第１の基板（３０）を除去する工程は、透明層（４２）のウェーハ・ボンディングに先立って行われる工程であり、このウェーハ・ボンディングは第１基板がそこから除去される発光ダイオード構造（４０）の側面に透光性基板をウェーハ・ボンディングする工程である前記３に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８０】
５．  透明層（４２）を発光ダイオード構造（４０）にウェーハ・ボンディングする工程は、ウェーハ・ボンディングされる層（３２及び４２）を軟化させるために温度を上昇させることを含め、抵抗が低い電気的接続を得るために上昇された温度で実行される工程である前記１に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８１】
６．  ウェーハ・ボンディングする工程は、ウェーハ・ボンディングされる層の整合性を達成するために層（３２及び４２）に圧力を加えることを含む工程である前記５に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８２】
７．  発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）を製造する工程と透光性材料を選択する工程の少なくとも一方が、ウェーハ・ボンディングされる層（３２と４２）の境界面においてＩｎ含有成分、Ｃｄ含有成分、及びＺｎ含有成分の一つを選択する工程である前記１に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８３】
８．  発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）をエピタキシャル成長と適応性がある格子を一時的成長基板（３０）を設け、一時的成長基板（３０）上で発光ダイオード層の積層をエピタキシャル成長させ、積層は第１側面（３８）を有しかつ一時的成長基板（３０）に結合された第２側面（３２）を有し、それによって一時的成長基板（３０）が一時的支持表面を形成し、及び一時的支持表面を成長基板より高い導電性と透光性の少なくとも一方を有する永久基板（４２及び４８）と置き換え、置き換えるのは永久基板を発光ダイオード層の第１と第２側面の一方にウェーハ・ボンディングすることを含み、ウェーハ・ボンディングするのは永久基板と発光ダイオード層との境界面で温度を上昇させて、双方の間に低抵抗接続を達成する工程とからなる発光ダイオードの製造方法  である。
【００８４】
９．  一時的支持表面の置き換え工程は、発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）の第１側面（３８）に永久基板（４８）をウェーハ・ボンディングした後に成長基板（３０）を除去する工程を含む前記８に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８５】
１０．  一時的支持表面の置き換え工程は、発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）の第１側面（３８）に永久基板（４８）をウェーハ・ボンディングする前に成長基板（３０）を除去する工程を含む前記８に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８６】
１１．  発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）上に第２導電性、透光性基板（４８）をウェーハ・ボンディングし、永久基板が、導電性、透光性であり、それによって発光ダイオード層を透光性基板（４２及び４８）の間に挟装する工程をさらに含む前記８、前記９または前記１０に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８７】
１２．  ウェーハ接合の境界面でのキャリアの濃度を高めるために永久基板（４２及び４８）のウェーハ・ボンディング中にドーピング・ガスを流入する工程をさらに含む前記８に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８８】
１３．  一時的成長基板（３０）を永久基板（４２及び４８）に置き換える工程の前に酸化を防止するために永久基板（４２）と発光ダイオード層（３２，３４，３６及び３８）の少なくとも一方にキャツプ材料を装着する工程をさらに含み、さらに発光ダイオード層に永久基板をウェーハ・ボンディングするために永久基板と発光ダイオード層の少なくとも一方からキャップ材料を外すために熱を加える工程を含む前記８に記載の発光ダイオードの製造方法である。
【００８９】
１４．  第１発光ダイオード構造（４０）を形成するために第１発光ダイオード層（３４，３６及び３８）をエピタキシャルに成長させ、第２発光ダイオード構造（６４）を形成するために第２発光ダイオード層（６６，６８及び７０）をエピタキシャルに成長させ、第１発光ダイオード構造を第２発光ダイオード構造上に積層し、及び第１発光ダイオード構造を第２発光ダイオード構造にウェーハ・ボンディングする工程とからなる発光ダイオードを積層する方法である。
【００９０】
１５．  前記第１発光ダイオード層（３４，３６及び３８）は、一時的成長基板（３０）上に成長され、さらに一時的成長基板を除去する工程を含む前記１４に記載の発光ダイオードを積層する方法である。
【００９１】
１６．  ウェーハ・ボンディング工程は、前記第１及び第２発光ダイオード構造は同じ極性を有するように第１及び第２発光ダイオード構造（４０及び６４）を位置合わせする工程を含む前記１４に記載の発光ダイオードを積層する方法である。
【００９２】
１７．  第１及び第２発光ダイオード構造（４０及び６４）間のトンネル接合部（７２）を形成し、トンネル接合部は第１と第２発光ダイオード構造とは反対の極性を有する工程をさらに含む前記１４に記載の発光ダイオードを積層する方法である。
【００９３】
１８．  光学的特性と電気的特性の少なくとも一方が第１及び第２の層（１３０）の境界面に沿って選択的に変化するように第１の層（１２６）の第１の表面をパターニングし、及び第１の層の第１の表面を第２の層にウェーハ・ボンディングする工程とからなる境界面に接合されて隣接した第１と第２の層（１２６及び１３０）を含む複数の層を有する発光ダイオードを形成する方法である。
【００９４】
１９．  発光ダイオード層（１３０，１３２，及び１３４）をエピタキシャル成長させ、エピタキシャルに成長された発光ダイオード層に所望の電流経路を規定するためにパターンを選択する工程をさらに含む前記１８に記載の発光ダイオードを形成する方法である。
【００９５】
２０．  第１の層（１２６）の第１表面をパターニングする工程は、第１の表面に沿って窪み（１４０）を形成するために第１の層から材料を除去する工程を含む前記１８に記載の発光ダイオードを形成する方法である。
【００９６】
２１．  電圧を印加するために窪み（１４０）と位置合わせして電極（１４２）を形成し、電極は第２の層（１３０）とは反対側に配置される工程を含む前記１８に記載の発光ダイオードを形成する方法である。
【００９７】
２２．  第１の層（１２６）は、電流拡散ウィンド層を形成するような材料から選択される前記１８に記載の発光ダイオードを形成する方法である。
【００９８】
２３．  第１の表面（１３８）が発光ダイオード構造（１２８）によって発生される光線用の光反射パターンを形成するようなパターンを選択する工程を含む前記１８に記載の発光ダイオードを形成する方法である。
【００９９】
２４．  第１の基板（３０）を設け、第１の基板にＩＩ−ＶＩ発光ダイオード構造（４０）を設け、及びＩＩＩ−Ｖ半導体基板とＳｉＣ基板（４８）の一つをＩＩ−ＶＩ半導体構造にウェーハ・ボンディングすることによってＩＩ−ＶＩ半導体構造の安定性を向上する工程とからなる発光ダイオードの製造方法である．
【産業上の可能性】
【０１００】
以上のように、本発明によれば、所望の機械的特性を有するＬＥＤ層の製造に適応を有する材料で第１基板を形成し、この第１基板上にＬＥＤ層を形成してＬＥＤ構造を形成し、ＬＥＤ層に透光性材料による透明層をウェーハ・ボンディングするようにしたので、第１基板にエピタキシャル成長を要することなく、所望の機械的特性と透光性を有するＬＥＤを短時間に大量に製造することができるとともに、透明層と成長層との境界面の抵抗率を最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明による一時的成長基板を有する二重ヘテロ接合ＬＥＤ装置の側面図である。
【図２】図１の一時的成長基板を除去したＬＥＤ構造の側面図である。
【図３】ウェーハ・ボンディング技術を利用して取り付けた永久基板を有する図２のＬＥＤ構造の側面図である。
【図４】対向側に電極を有する図３の構造の側面図である。
【図５】ウェーハ・ボンディングによって製造された別のＬＥＤ構造の側面図である。
【図６】図１の装置にウェーハ接合基板を取り付けた第３の実施例の側面図である。
【図７】図２のＬＥＤ構造にウェーハ接合基板を取り付けた別の実施例の側面図である。
【図８】ウェーハ・ボンディング技術によってミラーに取り付けた図２のＬＥＤ構造の側面図である。
【図９】積層されたＬＥＤ装置の側面図である。
【図１０】ウェーハ接合されたパターン形成層を用いるＬＥＤ装置の側面図である。
【図１１】ウェーハ接合されたパターン形成層を用いるＬＥＤ装置の側面図である。
【図１２】ウェーハ接合されたパターン形成層を用いるＬＥＤ装置の側面図である。
【図１３】ウェーハ接合されたパターン形成層を用いるＬＥＤ装置の側面図である。
【図１４】ウェーハ接合されたパターン形成層を用いるＬＥＤ装置の側面図である。
【図１５】本発明の工程を実行するためのウェーハ・ボンディング装置の分解図である。
【図１６】図１５のウェーハ・ボンディング装置を動作する際の温度分布グラフである。
【図１７】本発明の工程を実行するための別の装置の概略図である。
【図１８】図１７の装置とともに使用するための黒鉛部材の実施例を示す分解斜視図である。
【図１９】図１７の装置とともに使用するための黒鉛部材の別の実施例を示す分解斜視図である。
【図２０】従来の吸収性基板を有する単一ヘテロ接合ＬＥＤ装置の側面図である。
【図２１】従来の吸収性基板を有する二重ヘテロ接合ＬＥＤ装置の側面図である。
【図２２】従来の透光性基板を有する二重ヘテロ接合ＬＥＤ装置の側面図である。
【符号の説明】
【０１０２】
３０  成長基板
３２，３４，３６，３８，１５６Ａ，１７４，１７８  発光ダイオード層
４０，６４，１２８，１４４Ａ  発光ダイオード構造
４２，７８  導電性、透光性基板
４４，１４２，１４４，１５４，１５６  電極
４６  第２の電極
４８，１８２  第２基板
５０，１５２  ウェーハ・ボンデイング層
５６，５８  接点金属化領域
６０  ミラー
６２，１３６，１４６，１８０  基板
６８，１３２  能動層
７２  トンネル接合層
７４  上部電極
７６  下部電極
８０，１１０，１１２，１１４，１２０  ウェーハ
８４，１１６  第１黒鉛部材
８６，１１８  第２黒鉛部材
９２  石英管
９４  反応炉
９６，９８  黒鉛部材
１０２  加熱炉管
１２６  半導体ウェーハ
１３４  下部の密封層
１３８  下部表面
１４０，１４８，１５０  窪み
１５８  上層
１６０  下層
１６２，１６４  外部層
１６６，１６８，１７０，１７２  電極
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003708938.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
0003708938.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
0003708938.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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