(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の基板と、
前記基板上に設けられＧａＮ系の材料を含むｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられたｎ型の第２半導体層と、を含む発光構造と、
前記発光構造を、相互に電気的に絶縁された第１セグメントと第２セグメントとに分割するトレンチと、
前記第１セグメントの第１半導体層と電気的に接続された第１のミラーと、
前記第２セグメントの第１半導体層と電気的に接続された第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記基板との間において、前記第１のミラーに隣接して設けられ、その上面が第１半導体層の底面と実質的に同一平面上に位置し、前記トレンチに部分的に露出している第１のバリア層と、
前記第２のミラーと前記基板との間において、前記第２のミラーに隣接して設けられ、その上面が第１半導体層の底面と実質的に同一平面上に位置し、前記トレンチに部分的に露出している第２のバリア層と、
前記第１セグメントの前記第１のバリア層の上面のうちの前記トレンチに露出している部分の少なくとも一部に接触し、前記第１セグメントの前記第１のバリア層を前記第２セグメントの第２半導体層に電気的に接続することにより、前記第１セグメントの第１半導体層を前記第２セグメントの第２半導体層に電気的に接続する接続電極と、
を備え、
前記基板は、前記第１セグメントの前記第１のミラーと、前記第２セグメントの前記第２のミラーと、を電気的に絶縁する絶縁領域を含むシリコン基板であり、
前記絶縁領域は、前記第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれと、前記電導性基板と、の間に設けられた絶縁層を含む発光装置。
【請求項２】
導電性の基板と、
前記基板上に設けられた第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体層と、を含む発光構造と、
前記発光構造を、相互に電気的に絶縁された第１セグメントと第２セグメントとに分割するトレンチと、
前記第１セグメントの第１半導体層と電気的に接続された第１のミラーと、
前記第２セグメントの第１半導体層と電気的に接続された第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記基板との間において、前記第１のミラーに隣接して設けられ、その上面が第１半導体層の底面と実質的に同一平面上に位置し、前記トレンチに部分的に露出している第１のバリア層と、
前記第２のミラーと前記基板との間において、前記第２のミラーに隣接して設けられ、その上面が第１半導体層の底面と実質的に同一平面上に位置し、前記トレンチに部分的に露出している第２のバリア層と、
前記第１セグメントの前記第１のバリア層の上面のうちの前記トレンチに露出している部分の少なくとも一部に接触し、前記第１セグメントの前記第１のバリア層を前記第２セグメントの第２半導体層に電気的に接続することにより、前記第１セグメントの第１半導体層を前記第２セグメントの第２半導体層に電気的に接続する接続電極と、
を備え、
前記基板は、前記第１セグメントの前記第１のミラーと、前記第２セグメントの前記第２のミラーと、を電気的に絶縁する絶縁領域を含む発光装置。
【請求項３】
前記絶縁領域は、前記第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれと、前記電導性基板と、の間に設けられた絶縁層を含む請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記基板は、シリコン基板である請求項２または３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記基板と、前記発光構造と、を結合する金属層をさらに備えた請求項２〜４のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項６】
前記第１半導体層は、ｐ型ＧａＮ系の材料を含む請求項２〜５のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項７】
第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層を覆う活性層と、前記活性層を覆う前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２半導体層と、を含む発光構造を第１基板上に形成し、
前記第２半導体層を覆い、前記第２半導体層と電気的に接続されたミラー層を選択的に形成し、
前記ミラー層及び前記第２半導体層の上に、その上面が前記第２半導体層の底面と同一平面上に位置するバリア層を形成し、
前記バリア層上に金属接合層を形成し、
前記金属接合層を介して、前記発光構造、前記ミラーおよび前記バリア層を第２基板に接合し、
前記第１基板を除去し、
前記発光構造を、前記バリア層の上面が露出するまで選択的にエッチングすることにより、相互に電気的に絶縁される第１セグメント及び第２セグメントに分割し、
前記第１セグメントのバリア層の上面に接触し、前記第１セグメントのバリア層を前記第２セグメントの第１半導体層に接続する接続電極を形成する発光装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２基板は、前記第１セグメント及び前記第２セグメントのそれぞれのミラーをお互いに電気的に絶縁する第１の絶縁領域及び第２の絶縁領域を有する請求項７記載の発光装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の絶縁領域及び前記第２の絶縁領域は、それぞれ前記ミラーと前記第２基板との間に形成された絶縁層を含む請求項８記載の発光装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２基板は、シリコン基板である請求項７〜９のいずれか１つに記載の発光装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第２半導体層は、ｐ型ＧａＮ系材料を含む請求項７〜１０のいずれか１つに記載の発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する、重要な類の固体素子である。これらの素子における改良は、従来の白熱及び蛍光光源を置き換えるように設計された照明器具での使用を生じた。ＬＥＤは、顕著な長寿命と、ある場合には、電気エネルギーを光に変換するための著しい高効率を有する。
【０００２】
この説明の目的で、ＬＥＤは、３層、２つの他の層の間に挟まれた活性層を有するとみなすことができる。活性層は、外層からの正孔と電子が活性層内で結合するときに光を放射する。正孔及び電子は、ＬＥＤに電流を流すことにより生成される。ある一般的な配置では、ＬＥＤは、最上層を覆う電極、及び電気的接続を最下層に提供するコンタクトから電力供給される。
【０００３】
ＬＥＤのコスト及び電力変換効率は、この新しい技術が従来の光源を置換し、高電力用途で使用される比率を決定する点での重要な要素である。ＬＥＤの変換効率は、光源により消費される電力に対して、光学スペクトルの所望の領域においてＬＥＤにより射出される、光学パワーの比であると定義される。消費される電力は、ＬＥＤの変換効率、及びＬＥＤダイの直接電力供給に使用可能なＡＣ電力をＤＣ電源に変換する回路により失われる電力によって決まる。ＬＥＤを出る光に変換されない電力は、熱に変換され、ＬＥＤの温度を上昇させる。熱放散は、しばしば、ＬＥＤが動作するパワーレベルに限界を課す。加えて、ＬＥＤの変換効率は電流の増加と共に減少し、したがって、電流を増加させることによりＬＥＤの光出力を増加させることは、全体の光出力を増加させるが、電気的な変換効率はこの方法では減少する。加えて、大電流での動作によりＬＥＤの寿命も短くなる。最終的に、電流を発光領域に導く電導体中、及びＬＥＤの高抵抗のｐ層中の抵抗損失は、電流の増加と共に急速に増加する。したがって、最適な電流が存在する。
【０００４】
ＬＥＤの駆動電圧は、ＬＥＤの作製に使用される材料により設定され、典型的にはＧａＮ系ＬＥＤに対しては３ボルトのオーダーである。最適な電流で動作する単一のＬＥＤは、多くの用途に対して充分な光を生じないので、典型的な光源は多数個のＬＥＤを必要とする。ＬＥＤは、並列、直列、又は双方の組合せで接続可能である。ＬＥＤを並列で接続すると、駆動電圧は低く、典型的には３ボルトのオーダーであり、必要とされる電流は高い。したがって、このような大電流配列に固有の電力損失を回避するためには、直列接続が好ましい。加えて、電源の出力駆動電圧がＡＣ電源の振幅に近ければ、大半の用途で入手可能なＡＣ電源を、ＬＥＤの駆動に必要とされるＤＣ電源に変換することは、著しく安価である。したがって、ＬＥＤを直列で接続して、アレイに対して高い駆動電圧を供給する配列が好ましい。
【０００５】
直列接続は、光源中の個別ＬＥＤを接続する配線により、又は、絶縁基板上にＬＥＤアレイを作製し、各ＬＥＤを周りのＬＥＤから隔離することにより提供される。そして、後者の場合、直列接続電極は、フォトリソグラフィ法を使用することにより隔離されたＬＥＤの間に設けられる。第２の方法は、パッケージコストの低減をもたらす可能性を有するが、個別のＬＥＤ間に基板まで延在するトレンチなどの絶縁バリアを設け、個別ＬＥＤを隔離することができるように、ＬＥＤ層をサファイアなどの絶縁基板上に成長させる製造システムに限定される。
【０００６】
シリコンウェーハなど、特定の非絶縁基板上にＬＥＤを作製することに関連する著しいコスト利点が存在する。従来の製造ラインは、シリコンウェーハに対して最適化されている。加えて、シリコンウェーハは、サファイアウェーハよりも著しく安価である。そしてシリコンウェーハから個別の光源を単体化する方法は、サファイア系における単体化よりも実質的に容易である。したがって、シリコンウェーハ又は他の電導性基板上で直列接続ＬＥＤを作製する方法が必要とされる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、光源及びその製造方法を含む。光源は、電導性基板に接合される発光構造を備える。この発光構造は、基板の上を覆う第１導電形の半導体材料の第１層、この第１層の上を覆う活性層、及び活性層の上を覆う、第１導電形とは反対の導電形の半導体材料の第２層を含む。バリアは、発光構造を相互に電気的に隔離された第１及び第２セグメントに分割する。接続電極は、第１セグメント内の第１層を第２セグメント内の第２層に接続する。ミラーは、セグメントのそれぞれにおいて第１層と電気的接触し、接続電極は、第１セグメント内のミラーを第２セグメント内の第２層に接続する。基板は、第１及び第２セグメント内のミラーを相互に電気的に隔離する第１及び第２隔離領域を含む。光源は、シリコン基板上に堆積されたＧａＮ半導体層（ＧａＮ半導体層はＡｌＩｎＧａＮ系の全ての化合物が含まれる）から作製可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】光源の平面図である。
【図２】図１に示す光源の断面図である。
【図３】１つの実施形態による光源が作製される方法を示す図である。
【図４】１つの実施形態による光源が作製される方法を示す図である。
【図５】１つの実施形態による光源が作製される方法を示す図である。
【図６】１つの実施形態による光源が作製される方法を示す図である。
【図７】１つの実施形態による光源が作製される方法を示す図である。
【図８】成長基板を除去した後で、露出させたｎ面をエッチングした実施形態を示す図である。
【図９】別の実施形態による直列接続光源の作製の図である。
【図１０】別の実施形態による直列接続光源の作製の図である。
【図１１】別の実施形態による直列接続光源の作製の図である。
【図１２】別の実施形態による直列接続光源の作製の図である。
【図１３】別の実施形態による直列接続光源の作製の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明がその利点を提供する方法は、先行技術の直列接続ＧａＮ系ＬＥＤ光源を図示する、図１及び２を参照することにより、より容易に理解可能である。図１は、光源６０の平面図であり、図２は、図１に示す線分２−２を通る光源６０の断面図である。光源６０は、２つのセグメント６４及び６５を備えるが、同一の設計を用いて更に多くのセグメントを有する光源が作製可能であるということは以下の説明から明白である。光源６０は、層をサファイア基板５１上に成長させた３層ＬＥＤ構造から作製される。ｎ層５２を基板５１上に成長させ、次いで活性層５５及びｐ層５３を、ｎ層５２の上に成長させる。当業者ならば、これらの層は、複数のサブ層を含んでもよく、また、実際のＬＥＤは多くの他の層を有するということを理解する。本特許の目的とするところでは、上を覆う層は、層どうしが接触しても良いし、又は、それらの間に中間層が存在しても良いことを意味する。
【００１０】
セグメント６４及び６５は、隔離トレンチ６６により分離される。隔離トレンチ66は、層５２から基板５１まで延在することによって、セグメント６４及び６５を電気的に隔離する。隔離トレンチ６６は、層５２の中に単に部分的に延在するプラトー６７を含む。隔離トレンチ６６の壁は、絶縁層５７により被覆され、絶縁層５７は、各セグメントの層５２の一部分に電気的な接触を取るための開口領域５８を含む。絶縁層５７は、ピンホール欠陥のない絶縁層を提供する任意の材料から作製可能である。例えば、ＳｉＯｘ又はＳｉＮｘを絶縁材料として使用することができる。他の材料としては、ポリイミド、ＢＣＢ、スピンオングラス及び半導体業界で素子平坦化に通常使用される材料が挙げられる。
【００１１】
６８及び６９で示す類似のトレンチが、光源６０の端に設けられる。電極５９が絶縁層５７内の開口部５８を通じて層５２と接触するように、直列接続電極５９は、隔離トレンチ６６中に堆積される。電極５９は、隣接するセグメントのＩＴＯ層５６とも電気的接触する。したがって、電力が電極６１及び６２経由で供給される場合には、セグメント６４及び６５は直列に接続される。結果として、光源６０は、並列に接続された２つの類似のＬＥＤの２倍の電圧及び半分の電流で動作する。
【００１２】
絶縁層５７は、図２中の５７ａで示すように電極５９及び６１の下に延在する。電極５９は不透明である。電極５９は、電極５９の直下の活性層５５の一部分で生じる光を遮る。この点で、図に示す層の厚さは、一定の縮尺になっていないということを特記するべきである。実際には、層５３の厚さは層５２の厚さよりもずっと小さく、したがって、電極５９は、電極５９の下で生じる光の大部分を遮る。したがって、その電流により生じる光のほとんどは失われるので、電極５９の下で層５５を通る電流は、実質的に無駄になる。絶縁層を延在させることは、電流が層５５の無駄な領域を流れることを阻止し、したがって光源の全体的な効率を改善する。類似の問題は、電極６１の下にも存在し、したがって、絶縁層はその電極の下に延在する。
【００１３】
上述の作製手法は、基板５１が絶縁体であり、かつトレンチの生成時に良好なエッチストップを提供することに依存する。基板５１がシリコンウェーハなどの電導性基板である場合には、２つのＬＥＤセグメントは相互に隔離されない。したがって、この手法は、ＬＥＤ構造を電導性基板上に形成する場合には課題を呈する。上記に指摘したように、ＬＥＤ構造の形成にシリコン基板を使用することにおいて顕著な利点が存在する。本発明は、直列に接続された複数のセグメントを有するモノリシックＬＥＤ構造のメリットをなおもたらす一方で、ＬＥＤ構造のシリコン基板上での形成を可能とさせる機構を提供する。
【００１４】
ここで図３〜７を参照する。本発明の１つの実施形態による光源を作製する方法が図示されている。図３を参照する。初めにｎ層２２、活性層２３、及びｐ層２４がシリコン基板２１上に堆積される。基板２１は、＜１１１＞基板であることが好ましい。ｎ層は、シリコン基板上でのＧａＮ系の層の成長を容易にする、１つ以上のバッファ層を備えてもよい。バッファ層の例としてはＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌｘＧａｌ−ｘＮ、及びこれらの組合せが挙げられる。銀系の金属化層が、ＬＥＤ内にあるｐ層の領域にわたってパターニングされて、ミラー及びｐ−コンタクトの両方を提供する。これらのミラーは２５で示される。銀を保護するために、白金などのバリア金属層が、２６で示すように銀を覆って堆積される。あるいは、チタン（Ｔｉ）、チタン−タングステン（ＴｉＷ）、又はチタン−タングステン窒化物（ＴｉＷＮ）のバリア層を使用することができる。次いで、これらの層は、誘電材料を含む絶縁層２７により被覆される。最終的に、接合金属層２８が絶縁層２７を覆って堆積される。ＡｕＳｎを接合材料として使用することができるが、他の材料も使用可能である。
【００１５】
ここで図４を参照する。作製プロセスでの次の工程が図示されている。この工程では、ウェーハは反転され、ＡｕＳｎなどの接合金属層３２により被覆された基板３１を覆って配置される。基板３１は多数の材料の任意のものから作製可能であるが、従来の製造施設でのウェーハの取扱いを容易にするために第２シリコン基板が好ましい。コストを低減するために、基板３１は＜１００＞ウェーハであることが好ましい。２つの構造を一緒にプレスし、接合した後、ウェーハ２１は、エッチング、化学機械平坦化（ＣＭＰ）、検索、又はこれらの組合せにより除去される。他の好適な方法も使用することができる。共晶金属を含む接合方法を用いて、ウェーハを一緒にプレスし、接合することができる。得られる構造を図５に示す。
【００１６】
ここで図６を参照する。作製プロセスでの次の工程が図示される。基板２１を除去した後、３つのＬＥＤ層を３５で示すように、金属層２６までエッチングして、金属層２６上で終わるトレンチを形成する。エッチングは、好ましくはリン酸などの酸による湿式化学エッチングを用いて行われるが、他の湿式エッチング剤又はＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング、又はＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によっても行うことができる。絶縁層は、スタックの側壁が次に堆積される直列接続電極に接触しないようにＬＥＤ層スタックの一方の壁上に形成される。ＳｉＮｘ又はＳｉＯｘは層３４用に好ましい絶縁体であるが、ｐ層及び活性層がｎ層にショートしないように層が充分に厚ければ他の材料を使用することができる。
【００１７】
ここで、最終の直列接続ＬＥＤ光源４０の断面図である、図７を参照する。金属層が、図６に示す構造にわたってパターニングされ、１つのＬＥＤ中のｐ層を隣接するＬＥＤ中のｎ層に接続する複数の直列接続電極３７を設ける。ｎコンタクト３９及びｐコンタクト３８が、２つの末端ＬＥＤ上に形成され、光源に電力供給するために使用される。
【００１８】
光源４０の最上面は、ｎ面を露出させたｎ−ＧａＮ表面であるということが特記される必要がある。この表面は、容易にエッチングされて、ＬＥＤからの光の取り出しを増強する散乱形状を提供する。図１及び図２に示す従来の直列接続配置では、露出表面はｐ−ＧａＮ層のＧａ面である。Ｇａ面は、よりエッチング耐性を有する。加えて、ｎ−ＧａＮ材料よりも著しい高抵抗を有するｐ−ＧａＮ材料中での電力損失を低減するために、ｐ−ＧａＮ層は、できるだけ薄いことが好ましい。したがって、本発明のこの実施形態は、光取り出し効率の点で追加的なメリットをもたらす。成長基板が除去された、図５で示す工程でこのエッチングを行うことができる。ここで図８を参照する。成長基板が除去された後で、露出させたｎ面をエッチングした実施形態が図示されている。この場合、層２２の最上面はエッチングされて、散乱形状２２ａを提供する。散乱形状は、好ましくはＬＥＤにより生じる光の波長よりも大きい寸法を有する。ウェーハの残りの加工は、図６〜７を参照しながら上述したものと実質的に同一である。
【００１９】
上記に特記したように、ＬＥＤ系の光源では、熱放散を考慮する。したがって、基板３１は良好な熱伝導体であることが好ましい。シリコンは良好な熱伝導体であり、したがって、基板を搭載するためにシリコンウェーハを使用する実施形態は、さらなる利点を有する。上述の実施形態中で２７で示す絶縁体の層を無くすことにより、本発明による光源の伝熱特性を、更に改善することができる。ここで図９〜１２を参照する。本発明の別の実施形態による直列接続された光源の作製が図示されている。光源９０の作製は、絶縁層２７が省略されていることを除いて、上述の方法に類似した方法で始まる。接合金属２８の層は金属層２６を直接覆って被覆される。次いで、トレンチ７１は、図９において７１で示すようにｐ層２４まで切り込まれる。
【００２０】
成長基板は反転され、図１０中に示す複数のｎ形ウェル７４を有するｐ形シリコンウェーハである第２ウェーハ７３に対して配置される。各ｎ形ウェル７４は、ＬＥＤセグメントの対応する1つの下に配置され、ＬＥＤセグメント上の対応する層に接合するのに使用される、接合金属７４ａの層により被覆される。ｎ形ウェルはＬＥＤセグメントを別のセグメントから隔離し、したがって、上述の絶縁層２７は必要とされない。次いで、２つのウェーハが金属層を使用して接合される。
最終的に、基板２１が除去されて、図１１に示す構造を残す。
【００２１】
ここで図１２を参照する。トレンチ７７が切り込まれて、ＬＥＤ層を複数のセグメントに分割する。トレンチはバリア金属層７９まで延在する。次いで、絶縁層７８を堆積し、各セグメントの縁を、続いて堆積される金属から保護する。その金属は、図１３中に示す直列接続電極を形成するために堆積される。その絶縁層は、ピンホール欠陥の無い絶縁層をもたらす任意の材料から作製することができる。例えば、ＳｉＮｘを絶縁材料として使用することができる。他の材料としてはポリイミド、ＢＣＢ、及びガラスを挙げることができる。直列接続電極がパターン化された金属の堆積プロセスの部分として形成されるとき、電力コンタクト８１及び８２も同時に堆積される。
【００２２】
上述の実施形態はＧａＮ半導体層を使用する。しかしながら、他の材料が使用可能であるということは理解される。例えば、ＬＥＤ層はＧａＮ系材料の他の構成から作製可能である。説明の目的では、ＧａＮ系材料は、ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮの全ての化合物であると定義される。しかしながら、他の材料系及び基板を使用する実施形態も本発明の教示に従って作製可能である。本発明は、シリコン基板上のＧａＮ系ＬＥＤに特に適している。最終の搭載基板が半導体である必要はないということが特記される。例えば、金属基板を使用することができる。このような基板は、シリコンよりも著しく安価であり、著しく大きな熱伝導性をもたらす。上述の実施形態は最終素子にシリコン基板を使用する。そのような基板は、従来の半導体製造施設で日常的に取り扱われており、良好な熱伝導をなおもたらす。
【００２３】
上述の実施形態は層ＬＥＤ構造を使用するものであった。しかしながら、これらの層の各々が、複数のサブ層を備えることができるということは理解されよう。
【００２４】
本発明の上述の実施形態は、本発明の種々の態様を例示するために、提供されたものである。しかしながら、異なる具体的な実施形態で示される本発明の異なる態様は、組み合わされて、本発明の他の実施形態を提供することができるということが理解されるべきである。加えて、前出の説明及び添付の図面から本発明の種々の改変が明白になるであろう。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されるものとする。
【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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