(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源を有する半導体発光デバイスを製造する方法であって：
成長表面を有する基板を用意する工程；
前記成長表面上にマスク層を配設する工程であり、該マスク層は、前記成長表面を露出させる複数の開口を有し、該複数の開口の各々の最大横方向寸法は０．３μｍより小さく、該マスク層は、前記成長表面を露出させる複数の開口を各々が有する第１マスク層部分と第２マスク層部分とを有し、該第１マスク層部分は、前記成長表面の露出面積と前記成長表面の非露出面積との間に第１の比を示し、該第２マスク層部分は、前記成長表面の露出面積と前記成長表面の非露出面積との間に第２の比を示し、該第２の比は該第１の比と異なる、工程；
前記マスク層の前記複数の開口の各々内で前記成長表面上に台座構造を成長させる工程；及び
前記台座構造の各々の表面に少なくとも１つの光生成量子井戸層を成長させる工程であり、前記台座構造の各々の表面が該少なくとも１つの光生成量子井戸層によって完全に覆われる、工程；
を有する方法。
【請求項２】
前記複数の開口は実質的に同じ大きさであり、隣接し合う開口間の距離は、前記第２マスク層部分において、前記第１マスク層部分においてより大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の開口の各開口は多角形形状を有し、前記開口の少なくとも１つの辺が前記成長表面の結晶方向に実質的に平行に配向される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記開口は六角形である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記台座構造の各々の前記光生成量子井戸層上の第１のコンタクト構造と、前記台座構造に電気的に接触する第２のコンタクト構造とを配設する工程、を更に有する請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のコンタクト構造を配設する工程は：
前記光生成量子井戸層の表面上に電荷キャリア閉じ込め層を成長させる工程；
前記電荷キャリア閉じ込め層の表面上に導電層を配設する工程；及び
前記導電層へのコンタクトを配設する工程
を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記マスク層を配設する工程は：
前記成長表面上にマスク層材料を堆積する工程；及び
前記開口を形成するように前記マスク層材料を選択的に除去する工程
を有する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記選択的に除去する工程は：
ナノインプリンティングによって前記マスク層内に複数の窪みを作り出すことによって前記マスク層をパターニングする工程；及び
前記成長表面の材料に対して前記マスク層材料を選択的にエッチングすることによって前記窪みの底の前記マスク層材料を除去して、前記成長表面を露出させる前記開口を形成する工程
を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
成長表面を有する基板；
前記成長表面上のマスク層であり、該マスク層は複数の開口を有し、該複数の開口の各々の最大横方向寸法は０．３μｍより小さく、該マスク層は、複数の開口を各々が有する第１マスク層部分と第２マスク層部分とを有し、該第１マスク層部分は前記開口の面積と前記マスク層の面積との間に第１の比を示し、該第２マスク層部分は前記開口の面積と前記マスク層の面積との間に第２の比を示し、該第２の比は該第１の比と異なる、マスク層；
前記マスク層の前記複数の開口の各々内で前記成長表面上に成長された、少なくとも部分的に結晶緩和された台座構造；及び
前記台座構造の各々の表面上に成長された光生成量子井戸層であり、前記台座構造の各々の表面を完全に覆う光生成量子井戸層；
を有する半導体発光デバイス。
【請求項１０】
前記複数の開口は実質的に同じ大きさであり、隣接し合う開口間の距離は、前記第２マスク層部分において、前記第１マスク層部分においてより大きい、請求項９に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１１】
前記台座構造の各々は多角形形状を有し、該多角形の少なくとも１つの辺が前記成長表面の結晶方向に実質的に平行に配向されている、請求項９又は１０に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１２】
前記台座構造の各々の前記量子井戸層上に配置された第１のコンタクト構造と、前記台座構造に電気的に接触する第２のコンタクト構造と、を更に有する請求項９乃至１１の何れか一項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１３】
前記台座構造の各々は前記マスク層の上方に突出している、請求項９乃至１２の何れか一項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１４】
前記成長表面及び前記台座構造のうちの少なくとも一方はＧａＮ又はＩｎＧａＮを有する、請求項９乃至１３の何れか一項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１５】
前記量子井戸層はＩｎＧａＮを有する、請求項９乃至１４の何れか一項に記載の半導体発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光デバイス、及びそのような半導体発光デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）及び半導体レーザなどの半導体発光デバイスは、従来からの照明システムから光通信システムまで広範な用途で使用されている。特に、窒化物ベースのＬＥＤは、一般的な照明目的でのＬＥＤの使用を可能にしている。しかしながら、そのようなデバイスの発光効率は、４８０ｎｍより長い波長でかなり低下する。これを補償する一手法は、青色発光ＬＥＤを、放射された青色の光の一部がリン光性材料との相互作用によって緑黄色の光に変換されるように使用するものである。しかしながら、リン光変換は、高めのエネルギーの放射線から低めのエネルギーの放射線への推移中に、限られた変換効率と放射ピーク形状の拡幅化とをもたらす幾つかの変換損失機構に悩まされる。故に、可視スペクトルのうちの緑から赤の部分で直接的に発光するＬＥＤは、例えば変換損失の排除及び色の同調性の改善など、少なからぬ利益をもたらすことになる。
【０００３】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの光源は、放射波長を可視スペクトルの赤色端側にシフトするように適応されることが可能である。特許文献１は、複数の波長の光を放射するように構成されたＧａＮベースの半導体発光デバイスを製造する方法を開示している。それは、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された発光層を各ポスト（柱状部）が有するようにして、複数の開口を有するマスク層から複数のポストを形成することによって達成されている。放射波長はポストの直径によって制御されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０７８２９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術に鑑み、本発明の１つの目的は、半導体発光デバイスの改善された製造方法、特に、可視スペクトルの緑から赤の部分の波長を放射するデバイスの製造を可能にするような半導体発光デバイスの改善された製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、故に、複数の光源を有する半導体発光デバイスを製造する方法が提供され、当該方法は、成長表面を有する基板を用意する工程と、前記成長表面上にマスク層を配設する工程であり、該マスク層は、前記成長表面を露出させる複数の開口を有し、該複数の開口の各々の最大横方向寸法は０．３μｍより小さく、該マスク層は、同じ表面積を有し且つ複数の開口を有する第１マスク層部分と第２マスク層部分とを有し、該第１マスク層部分は、前記成長表面の露出面積と前記成長表面の非露出面積との間に第１の比を示し、該第２マスク層部分は、前記成長表面の露出面積と前記成長表面の非露出面積との間に第２の比を示し、該第２の比は該第１の比と異なる、工程と、前記マスク層の前記複数の開口の各々内で前記成長表面上に台座構造を成長させる工程と、前記台座構造の各々の表面に少なくとも１つの光生成量子井戸層を成長させる工程とを有する。
【０００７】
用語“半導体発光デバイス”は、本願において、例えばフォトルミネッセントデバイス、ＬＥＤ、レーザダイオード又は垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの半導体ベースの発光デバイスとして理解されるべきである。光源は、本願において、電気駆動デバイスにおいて直接発光により、あるいは受動デバイスにおいて光励起に続くフォトルミネッセント反応により、の何れかで光を放射する個々の構造の各々として理解されるべきである。
【０００８】
光生成量子井戸（ＱＷ）層は、周囲の材料より低いエネルギーバンドギャップを有することによってポテンシャル井戸を形成する材料の薄い層である。バンドギャップをまたいで電荷キャリアが再結合するときに光が生成され、バンドギャップの大きさが放射光の波長を決定する。電荷キャリアは、電気駆動デバイスにおける電気的な注入、又は受動デバイスにおける光励起、の何れかによって提供され得る。少なくとも部分的に緩和された（relaxed）台座構造上に光生成量子井戸層を成長させることにより、非緩和表面上では達成することができない材料組成、ひいては、バンドギャップエネルギーを量子井戸層内で達成することができる。故に、少なくとも部分的に緩和された台座構造を設けることは、非緩和表面上では達成不可能な所望の発光特性を有する量子井戸層の成長を促進する。具体的には、可視スペクトルの赤色部分内に放射ピークを有する量子井戸を成長させることが可能である。台座構造上に積層して複数の量子井戸を成長させて、例えばＬＥＤ、レーザダイオード及びＶＣＳＥＬなどの発光デバイスを製造することも同様に可能である。また、緩和構造の成長を達成するように開口のサイズを制限することは、格子整合されていない基板の使用をも可能にする。格子整合されていない基板は、そうでなければ、より大きい構造又は連続膜を成長させるときに一般的に生じる応力関連の問題を生じさせるものである。
【０００９】
本発明は、特定サイズの開口内で成長表面上にエピタキシャル成長された結晶緩和構造に基づく光源の特性は、複数の開口の相対的な大きさ及び離隔距離を制御することによって、そして特に、露出される成長表面の面積とマスク層の面積との間の比を制御することによって制御することができる、という認識に基づく。
【００１０】
少なくとも部分的に緩和される台座構造は、その後の、歪み材料上に成長可能なものとは異なる特性を有する光生成量子井戸層の成長を可能にするので、そのような結晶緩和された台座構造を実現することは望ましいことである。各開口の最大横方向寸法が０．３μｍより小さいとすると、局所的な表面緩和が、そうでなければ成長表面の格子定数と台座構造の格子定数との間の格子不整合から生じることになる応力を抑制あるいは排除する。例えば多角形の最大横方向寸法は、最大の対角線、すなわち、多角形の２つの異なる隣り合わない角を接続する線分のうち最大のものである。緩和された台座構造を実現するのに許容可能な各開口の最大サイズは、例えばヤング率及び格子定数などの材料パラメータによって決定される選択された材料の組合せに関してのものである。
【００１１】
量子井戸から放射される光の波長は量子井戸の厚さに関係し、量子井戸の厚さは、量子井戸層を成長させるときに使用される成長条件の結果である。前駆体が供給される（一般的に気体又は蒸気状態で供給される）とき、前駆体は一般的な回転ウェハ構成において堆積中にウェハの表面全体と均一に反応すると仮定することができる。成長は台座構造上でのみ起こり、マスク層の表面では起こらないので、マスク層表面に堆積される前駆物質は、台座構造を格納した開口に向かって移動し、そこで量子井戸成長に寄与する。故に、露出された成長表面の面積と露出されていない成長表面の面積との間の比が、量子井戸層を成長させるのに利用可能な前駆物質の量を決定する。結果として、より大きい割合の成長表面が露出されているウェハ部分は、より小さい割合の成長表面が露出されているウェハ部分より薄い量子井戸を生じさせる。
【００１２】
従って、開口の大きさは、間隔と組み合わさって、相対的な成長速度、ひいては、特定の台座構造上に成長されるＱＷの厚さを決定することになる。故に、開口サイズと離隔距離との組合せは、ＱＷ厚さ、ひいては、特定の光源からの発光色を調整する強力な手段である。
【００１３】
担体（キャリア）として作用する基板が用意され得る。基板は有利には、基板の裏面コンタクトを可能にする導電性材料のウェハとし得る。より具体的には、基板は、ＧａＮ、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＳｃＮ、ＴｉＮ、ＨｆＮ、ＡｌＮ、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＮｂＢ２、ＢＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＧａＯ２、ＮｄＧａＯ３、ＬｉＡｌＯ２、ＳｃＭｇＡｌＯ４、ガーネット及びスピネルから成る群から選択される材料を有し得る。
【００１４】
基板の上面に成長表面が用意され、成長表面が所望の緩和台座構造の成長を促進する。本願において、成長表面は有利には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースの材料のエピタキシャル成長に適した表面とすることができ、より具体的には、成長表面はＧａＮベースの材料のエピタキシャル成長に適したものとし得る。電気的に駆動されるデバイスの場合、ＧａＮベースのｎドープされた成長層が使用され得る。
【００１５】
成長表面の頂部にマスク層が配置され、マスク層内に、成長表面を露出させる開口が作り出され得る。マスク層は有利には、ＳｉＯ２ベースの材料の場合のように、絶縁性とし得る。マスク層はまた、例えばＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、又は同様の酸化物、窒化物若しくは炭化物などの広範な絶縁材料から選択され得る。
【００１６】
台座構造のエピタキシャル成長は、露出された成長表面で始まる。すなわち、マスク層の表面では成長が起こらない。従って、マスク層内の開口によって、台座構造が成長される場所が画成される。台座構造の主目的は、後に該台座構造の表面に連続膜として成長され得る光生成量子井戸層の成長の基部として機能することである。電気的に駆動される半導体発光デバイスの場合、台座構造は好ましくはｎドープされる。
【００１７】
なお、フォトルミネッセントデバイスの場合、量子井戸は厳密には要求されない。フォトルミネッセントデバイスにおいては台座構造を発光構造とし得るが、そのようなデバイスにおいても、発光特性の更なる制御のために量子井戸が使用されてもよい。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、複数の開口は実質的に同じ大きさであり、隣接し合う開口間の距離は、第２マスク層部分において、第１マスク層部分においてより大きい。これにより、単一のウェハ上で、第１及び第２の部分で実質的に同じ開口サイズを用いながら、デバイスの異なる部分で異なるように量子井戸特性を調整することができる。言うまでもないが、互いに異なる開口間距離を有する３つ以上のマスク層部分が存在してもよい。
【００１９】
これは、望ましい場合に全ての開口内に緩和台座構造が成長され得るように最適な開口サイズを用いることができながら、異なる波長を放射する複数の光源の組合せを同一表面上に作り出す高度に柔軟な手法を提供する。
【００２０】
少し言い換えると、実質的に同じ大きさの開口の密度が、第１及び第２のマスク層部分で異なるようにされ得る。例えば、複数の開口が実質的に規則的に配列され、ピッチが２つの部分の間で異なるようにされ得る。
【００２１】
開口間の距離は、例えば、第２マスク層部分において、第１マスク層部分においてより少なくとも１０％大きくされることができ、それにより、なおも緩和台座構造上に光生成量子井戸層を成長させながら実質的な色の差を達成することができる。局所的に開口の離隔距離及び／又は開口サイズを変化させることにより、放射波長を局所的に調整することができる。（別々にコンタクトされるのに十分な大きさで）デバイスの比較的大きい領域でこれを行うことにより、デバイスはセグメント化されたもの、ひいては、色調整可能なものとなる。一方、開口サイズ及び間隔の一方又は双方、ひいては、ＱＷ厚さをランダムあるいは擬似ランダムに変化させることにより、高度に均一に混ぜ合わされた異なる波長の光源を得ることができ、これは均一性の観点からの要求が非常に多い用途で有利となり得る。また、緩和台座構造を用いることの結果として、放射を調整することができることは、可視スペクトルをカバーする波長を放射することができることと組み合わさって、白色光を放射するＬＥＤデバイスを作り出すことを可能にする。本発明の他の一実施形態によれば、複数の開口の各開口は多角形形状を有し、開口の少なくとも１つの辺が成長表面の結晶方向に実質的に平行に配向（アライメント）される。
【００２２】
開口の形状は、多角形形状の開口から成長される多面体を制約する結晶面の格子構造に影響を及ぼす。台座構造における異なる結晶面は異なる成長特性を有することがあり、それにより、異なる材料組成又は層厚の光生成量子井戸層の成長をもたらし得る。量子井戸の異なる材料組成又は厚さは、放射波長のシフトを生じさせ得る。台座構造の異なる結晶面に対応する量子井戸特性の相違は比較的小さいことがあり、その場合、主として、全体の放射ピークの明らかな拡幅をもたらす。より広い放射ピークは、より連続した放射スペクトルを生じさせ、故に、より良好な放射光の色知覚をもたらす。異なる特性を有する異なる結晶面の効果は、一例として、頂部が切断された四角錐のような形状の多面体で明らかとなり、頂面に成長される量子井戸は、四角錐の側壁に成長される量子井戸と比較して、異なる材料組成だけでなく、顕著に異なる成長速度を示す傾向にある。さらに、四角錐の場合、いったん四角錐形状が形成し始めると構造の成長領域全体（当初はマスク内の開口）が成長し、且つ四角錐がマスクより大きく成長するにつれてますますそうなる。すなわち、表面に垂直な方向の相対成長速度が低下し始める。これは、この効果は早期に発生し且つ比較的小さい離隔距離の小型の孔で一層大きく発生するので、活用することができる。
【００２３】
異なる面での異なるＱＷ成長速度は、それにより異なる厚さのＱＷがもたらされるので、放射光の色をより大きく調整することができる一手法である。量子井戸の厚さは、量子閉じ込めの程度を直接的に決定し、それにより（材料組成、及び格子不整合によって誘起される歪みと組み合わさって）放射光の波長を決定する。
【００２４】
また、開口の配向は有利には、台座構造の全ての辺が成長表面に対して等価になり、それによりデバイス領域全体で一層高い均一度がもたらされるように選択され得る。
【００２５】
さらに、開口の制御された形状及び配向は、有利なことに、より少ない結晶欠陥を有する台座構造をもたらし、それにより、デバイスの効率を低下させる非放射性の再結合中心の虞を低減し得る。
【００２６】
開口の辺と下地の結晶構造との間に大きなミスアライメントがある場合、成長される構造は部分的に様々な結晶方向に揃うことになる。例えば、ミスアライメントされた二次開口は、ファセット（小平面）を有する成長構造をもたらし得る。すなわち、６又は８個の面を有する多面体が成長され得る。しかしながら、成長される構造は本質的には好適成長方向に揃うので、幾らかのミスアライメントは許容され得る。
【００２７】
本発明の一実施形態において、開口の形状は有利には六角形とし得る。成長される台座構造の辺を所望の下地結晶方位に揃え、該構造の全ての辺を等価にすることによって、より高い均一性とそれによる一層良好に定められた放射波長とを実現することができる。これは、単色の放射が望まれるときに好ましいものとなり得る。開口の形状は同様に、成長表面の結晶構造に応じて、三角形、長方形、又はその他の多角形であってもよい。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、半導体発光デバイスを製造する方法は更に、台座構造の各々の光生成量子井戸層上の第１のコンタクト構造と、台座構造に電気的に接触する第２のコンタクト構造とを配設する工程を有し得る。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、第１のコンタクト構造は有利には、光生成量子井戸層の表面上に配置された電荷キャリア閉じ込め層と、それに続く該閉じ込め層の表面上の導電層とを有し得る。電荷キャリア閉じ込め層は、量子井戸を形成するヘテロ構造の一部であり、閉じ込め層の機能は、量子井戸の境界のうちの一方を画成し、量子井戸と隣接材料との間にエネルギー障壁を提供することである。反対側の量子井戸の境界は台座構造によって形成される。一例として、電荷キャリア閉じ込め層は電子阻止層とし、導電層は当該導電層上にコンタクトが配置されたｐドープされた正孔伝導層とし得る。デバイスは、平面（プレーナ）成長されたＬＥＤとして、すなわち、ｎドープされた成長層及びｐドープされた頂部層のそれぞれに適切なコンタクト層を設けることによって、コンタクトを取られ得る。
【００３０】
これらのコンタクトはデバイスの反対側に形成されてもよいし、これらの双方がデバイスの同じ側にあってもよい。双方のコンタクトが同じ側に配置されるとき、デバイスは、透明なコンタクトを用いて形成されて、コンタクトと同じ側で光が抽出されるようにマウントされ得る。他の例では、コンタクトが反射性にされてフリップチップとしてマウントされてもよく、この場合、コンタクトが配置された場所とは反対側から光が抽出される。
【００３１】
本発明の一実施形態において、マスク層を配設する工程は、成長表面上にマスク層材料を堆積する工程と、上述の開口を形成するように所定のパターンに従ってマスク層材料を選択的に除去する工程とを有し得る。
【００３２】
本発明の一実施形態によれば、マスク層のパターニングは有利にはナノインプリンティング法によって行われ得る。例えばサーフェス・コンフォーマル・ナノインプリンティング法などのパターニング方法を用いることにより、単一のプロセス工程にてウェハスケールでパターニングを行うことができる。さらに、その他のリソグラフィ法に付随するウェハ曲げに伴う問題が低減あるいは回避をもされ得る。パターンは有利には、ゾルゲル生成ＳｉＯ２の形態で提供される変形可能シリカ内にインプリントされ、所定のインプリント用テンプレートに一致する複数の窪みが形成される。ナノインプリンティングの後、窪みの底に薄いシリカの残存層が残り得る。この残存層は好ましくは、下地の成長層に対してマスク層材料を選択的にエッチングすることによって除去され得る。この除去は、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて行われ得る。例えばステッパリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ及びホログラフィック干渉リソグラフィなど、その他のパターニング方法も利用可能である。それぞれのリソグラフィ法に好適なマスク除去方法が使用されることになる。
【００３３】
本発明の第２の態様によれば、成長表面を有する基板と、前記成長表面上のマスク層であり、該マスク層は複数の開口を有し、該複数の開口の各々の最大横方向寸法は０．３μｍより小さく、該マスク層は、複数の開口を各々が有する第１マスク層部分と第２マスク層部分とを有し、該第１マスク層部分は前記開口の面積と前記マスク層の面積との間に第１の比を示し、該第２マスク層部分は前記開口の面積と前記マスク層の面積との間に第２の比を示し、該第２の比は該第１の比と異なる、マスク層と、前記マスク層の前記複数の開口の各々内で前記成長表面上に成長された、少なくとも部分的に結晶緩和された台座構造と、前記台座構造の各々の表面上に成長された光生成量子井戸層と、を有する半導体発光デバイスが提供される。
【００３４】
この本発明の第２の態様の効果及び特徴は、第１の態様に関して上述したものと概して同様である。しかし、幾つかの更なる特徴を説明する。
【００３５】
本発明に係る半導体発光デバイスの一実施形態によれば、台座構造は有利にはマスク層の上方に突出していてもよい。成長された台座構造は、必ずしもマスク層の厚さによって制限されず、むしろその代わりに、マスク層内の開口の上方に突出して該開口の外側まで延在し得る。構造がマスク層の上方に突出した後に引き続いて成長される場合、構造は横方向にも拡張し得る。拡張された成長を可能にすることにより、本発明の第１の態様に関して述べた開口の幾何学配置に加えて、台座構造及び量子井戸の大きさ及び幾何学形状を調整する別の可能性が提供される。
【００３６】
本発明の一実施形態によれば、成長表面は有利には、キャリア基板上に配置されたＧａＮ又はＩｎＧａＮの成長層を有し得る。この成長層から、ＧａＮ又はＩｎＧａＮの台座構造が成長され、ＩｎＧａＮの量子井戸層がそれに続き得る。好ましくはＩＩＩ−Ｖ族の半導体ベースの材料からの、より好ましくは窒化物ベースのＩＩＩ−Ｎ材料の部分集合からの、その他の材料の組合せを使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
本発明の例示的な実施形態を示す添付図面を参照して、本発明の上述及びその他の態様を更に詳細に説明する。図面は以下の図を含む。
【図１】本発明の例示的な一実施形態に従った例示的な製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【図２】図２ａ−２ｈは、図１のフローチャートによって示される方法の工程群を模式的に例示する図である。
【図３】図３ａ−３ｃは、本発明の例示的な一実施形態に従った半導体発光デバイスを製造する方法における中間工程を模式的に示す図である。
【図４】図４ａ−４ｂは、本発明の様々な実施形態に従った半導体発光デバイスの代替的な光源パターンを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下の詳細な説明においては、主として、発光ダイオードの台座としての緩和半導体構造の成長に基づく方法を参照して、本発明に係る半導体発光デバイスを製造する方法の様々な実施形態を議論する。
【００３９】
これは、決して本発明の範囲を限定するものではなく、フォトルミネッセンスに基づく放射を介して発光する受動デバイスにも等しく適用可能である。以下に説明される処理工程の変形を用いる製造方法も可能である。一例として、例えばフォトリソグラフィ又は電子ビームリソグラフィなど、他のマスクパターニング方法も使用され得る。また、この方法は、主としてＩＩＩ−Ｖ族の半導体ベース材料からの材料を有する他の材料の組合せにも等しく適用可能である。また、成長方法は、エピタキシャル成長を可能にする或る範囲の方法から選択されることができ、例えば、ＭＯＶＰＥの代わりにＭＢＥが使用されてもよい。
【００４０】
図１に示すフローチャートを、製造方法の様々な段階におけるデバイスを模式的に示す図２とともに参照して、本発明の一実施形態に従った例示的な方法を説明する。
【００４１】
第１の工程１０１にて、図２ａに示すように、成長表面２０４を有する基板２０１を用意する。好適な基板はサファイア又はドープされた炭化珪素（シリコンカーバイド；ＳｉＣ）のウェハとし得る。一例として、サファイアウェハ２０２の表面にＧａＮ層２０３が堆積されて、図２ａに示すような成長表面２０４が形成される。一般的に使用される基板上でのＧａＮのヘテロエピタキシャル成長によって得られる緩和ＧａＮの所謂バッファ層からなる成長表面は、十分に適したものである。このＧａＮ層の少なくとも頂部が、エレクトロルミネッセントデバイスを製造するためにｎドープされる。
【００４２】
次の工程１０２にて、図２ｂに示すようにマスク層２０５が設けられる。ＧａＮ成長表面に、マスク層への変形可能前駆体（デフォーマブルプリカーサ）層が堆積される。この実施形態において、デフォーマブルプリカーサはゾルゲル生成ＳｉＯ２である。
【００４３】
続く工程１０３にて、マスク層２０５がパターニングされる。パターニングは、ＳＣＩＬ（サーフェス・コンフォーマル・ナノインプリンティング・リソグラフィ）を用いる単一工程で、ウェハの全領域上に前駆体層をインプリントすることによって行われ、図２ｃに示すように、シリカ層内に正方形の形態の複数の窪みが得られる。これらの窪みの各々の最大横方向寸法は０．３μｍ未満である。インプリントの結果として、窪みの底にシリカの薄い残存層が存在することがある。窪みの底の残存シリカは反応性イオンエッチングによって除去可能であり、ＧａＮ成長表面２０４を露出させる複数の開口２０６が形成される。シリカのエッチングは好ましくは、ＧａＮ成長表面２０４に対して選択性である。
【００４４】
台座構造２０７を成長させる後続工程１０４にて、図２ｄに模式的に示すように、マスク層２０５の各開口２０６内の露出されたＧａＮ成長表面２０４上に、ＩｎＧａＮ台座構造２０７が成長される。ＩｎＧａＮ成長は、例えば、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）炉内で行われることができ、Ｉｎ含有量は、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）前駆体に対するトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の比によって決定される。Ｉｎ含有量の変化は、成長中に温度を適応させることによっても達成され得る。エピタキシャル成長されるＩｎＧａＮ台座構造２０７は開口２０６内のＧａＮ表面２０４でのみ核生成し、シリカマスク層の表面では成長が起こらない。開口２０６の有限の寸法により、得られるＩｎＧａＮ台座構造２０７は緩和結晶構造を有する。台座構造２０７の形状は、本実施形態において説明したように正方形の開口を用いて成長されるときには、四角錐である。成長時間に応じて、この角錐の頂部は平坦であり得る。頂部の形状は発光デバイスの機能にとって重要でなく、例えば通常の角錐などの形状も等しく可能である。台座構造２０７は、マスク層の厚さと台座構造２０７の成長時間とに応じて、マスク層２０５の上方に突出していることもあるし、突出していないこともある。本実施形態においては台座構造の成長は合体前に停止されているが、原理的に、台座構造が結晶学的に緩和されたままであれば、合体された構造から発光デバイスを製造することも等しく可能である。
【００４５】
次の工程１０５にて、図２ｅに示すように、台座構造２０７の表面に、薄い光生成量子井戸層２０８が成長される。エピタキシャル成長される量子井戸層２０８は台座構造２０７上にのみ成長し、マスク層２０５の表面では成長が起こらない。この実施形態において、量子井戸層２０８は、台座構造２０７より高いＩｎ含有量を有するＩｎＧａＮを有する。台座構造２０７の緩和結晶構造は、同じ条件下で非緩和台座構造の上で組み込まれるものと比較して、高いＩｎ含有量が量子井戸層２０８に組み込まれることにつながる。Ｉｎ含有量を増大させることにより、緑色から赤色の光の放射を可能にするのに十分なようにバンドギャップが低減される。他の一実施形態において、台座構造２０７は、青色光を放射する光源の製造のために、ＩｎＧａＮ量子井戸を備えたＧａＮで製造され得る。
【００４６】
図２ｆに示す次の工程１０６は、電荷キャリア閉じ込め層２０９の堆積である。本実施形態において、電荷キャリア閉じ込め層２０９は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）電子阻止層を有する。
【００４７】
図２ｇに示す次の工程１０７にて、導電層２１０が堆積される。導電層２１０の堆積は、ｐドープされたＩｎＧａＮ層の堆積と、それに続くｐ＋＋ドープされたＩｎＧａＮ層の堆積とを有する。
【００４８】
本発明の一実施形態に従ったこの方法における最後の工程１０８が図２ｈに示されており、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）又はＰｄ／Ａｕなどの導電性コンタクト材料の形態でコンタクト層２１１が堆積される。その後、従来からの処理を用いてｐコンタクト及びｎコンタクトを画成することができる。デバイスのｎドープ側へのコンタクトは、頂部層内にエッチングされた孔を介して、又は基板除去及びｎドープ側のコンタクトによっての何れかで達成され得る。得られる半導体発光デバイスはそれ自体、連続的であってもよいし、デバイス領域上の個々の（台座）構造への別々の接触を可能にするようにセグメント化（分割）されていてもよい。
【００４９】
図３ａは、マスク層内の複数の開口２０６の大きさ及び離隔距離がデバイス表面にわたって変化したパターン３０１を有するデバイスを例示している。図示のように開口２０６の大きさ及び離隔距離を変化させることによって、処理工程を追加することなく同一ウェハ上で、得られる光源が異なる複数の波長を放射するように調整することが可能である。一般に、図３ａの上部３０２に示すように小さめの開口対マスク比を有することは、より大きい開口対マスク比を有する領域３０３と比較して、厚い量子井戸層をもたらし、それにより、長い波長での放射を与える。一例として、複数の波長を組み合わせることにより、白色光を放射するデバイスを製造することが可能である。他の一例として、異なる波長を放射する領域をセグメント化して別々にコンタクトを取ることによって、色調整可能なデバイスを製造することができる。
【００５０】
図３ｂは、台座構造の成長前の、成長表面２０４を露出させるマスク層２０５内の開口２０６を示している。
【００５１】
図３ｃは、同じ大きさの開口を有するが、デバイスの異なる領域で開口の離隔距離が異なったデバイスを模式的に示している。具体的には、第１の領域（３０２）において、第２の領域（３０３）においてより開口間の距離が大きく、それによって異なる密度の開口が生じている。
【００５２】
図４ａは、マスク層内の開口の取り得る形状を模式的に示しており、六角形の形状４０２が、下地の成長表面における特定の結晶方向に沿った配向を可能にしている。一例として、成長表面の２つの模式的な結晶方向ｃ１及びｃ２が示されている。また、結晶方向に実質的に平行な辺を有するように六角形の開口が配向され得ることが示されている。成長される台座構造の辺を所望の下地結晶方位に揃えることにより、構造の全ての辺を等価にし、より高い均一性、ひいては、より制御された放射特性を達成することが可能である。図４ｂに示すように六角形の開口４０２を亀甲パターン４０３で詰め込むとき、隣接する六角形同士の間の距離も一定に選定することができるので、より高い均一度を得ることができる。
【００５３】
一例として、六角形構成をした開口をＧａＮ表面の低指数方位に沿うように配向することは、全ての開口の壁部が（１０−１０）方向又は（１１−２０）方向の何れかに沿うことを意味する。
【００５４】
他の一例として、ＧａＮのＣ面上の主低指数結晶軸に沿うように方向付けられた三角形の開口は、等価な結晶面の明確な結晶成長をもたらす。
【００５５】
更なる他の一例として、全てが直角対称性を示すサファイアのＭ面、Ａ面又はＲ面上に構造を成長させるとき、これらの面の少なくとも２つの異なる組が最初に成長され、それらの面の間の比は、開口の大きさ、形状及び向きを選定することによって調整されることができる。
【００５６】
当業者が認識するように、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。むしろ、添付の請求項の範囲内で数多くの変更及び変形が可能である。例えば、本発明に係る方法は、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）やレーザダイオード（ＬＤ）を製造することにも使用され得る。さらに、上述とは異なる材料組成を用いながら上述の方法に従って製造されるＬＥＤも等しく可能である。また、ｎ型及びｐ型のドーピング並びにコンタクト層を省略することにより、得られる構造は、上述の波長の調整及び選択に関する特性の大部分を備えたフォトルミネッセントエミッタとして作用するのに十分に適したものとなる。そのような材料は、好適なＵＶ又は青色放射光源によって直接的に、あるいは導波路構造を介して照明され得る。また、本発明の基本原理は、一般に、格子パラメータ及び歪みレベルに関して所望の特性を有する成長用表面を提供することによって、ＩＩＩ−Ｖ族に基づく半導体ベースのデバイスの製造にも適用され得る。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【図２ｈ】
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【図３ａ−３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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