(57)【要約】  成長基板の上面の上で半導体構造１４、１６、１８が成長させられる。前記半導体構造は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置されるＩＩＩ族窒化物発光層を有する。 湾曲制御層１０が、前記成長基板１２と直接接触して配置される。前記成長基板１２は、GaNの熱膨張係数より小さい熱膨張係数を持ち、 前記湾曲制御層１０は、GaNの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を持つ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長基板の上面の上で半導体構造を成長させるステップを有する方法であって、
前記半導体構造が、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置されるＩＩＩ族窒化物発光層を有し、
前記成長基板が、GaNの熱膨張係数より小さい熱膨張係数を持ち、
湾曲制御層が、前記成長基板と直接接触して配置され、
前記湾曲制御層が、GaNの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を持つ方法。
【請求項２】
前記成長基板が、ケイ素である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記湾曲制御層が、多結晶α-Al2O3を有する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記湾曲制御層が、前記成長基板の底面に配置される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記湾曲制御層が、前記半導体構造と前記成長基板との間に配置される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記湾曲制御層が、前記成長基板の底面に配置される第１湾曲制御層であり、前記半導体構造と前記成長基板との間に、第２湾曲制御層が配置される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記湾曲制御層が、前記成長基板の弾性率より大きい弾性率を持つ請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域にｎ型接点及びｐ型接点を形成するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ｎ型接点及び前記ｐ型接点が、前記半導体構造の同じ側に形成される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ｎ型接点及び前記ｐ型接点が、前記半導体構造の反対側に形成される請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記湾曲制御層が、50nmと5ミクロンとの間の厚さを持ち、前記成長基板が、200ミクロンと1mmとの間の厚さを持つ請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記半導体構造を成長させた後に前記成長基板を取り除くステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体構造の上にレンズを配置するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湾曲制御層を含む基板上に成長させられる半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）及び端面発光レーザを含む半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度発光装置の製造において現在興味深い材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、とりわけ、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二元、三元、四元合金を含む。一般に、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属気相成長法 （ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によって、サファイア、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物又は他の適切な基板上に、様々な組成及びドーパント濃度の半導体層のスタック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。前記スタックは、多くの場合、基板の上に形成される例えばSiがドーピングされている１つ以上のｎ型層と、１つ又は複数のｎ型層の上に形成される活性領域内の１つ以上の発光層と、活性領域の上に形成される例えばMgがドーピングされている１つ以上のｐ型層とを含む。ｎ型領域及びｐ型領域において電気的接触が形成される。
【０００３】
US 7,612,361は、「窒化物単結晶は、主に、有機金属気相成長法 （ＭＯＣＶＤ）若しくはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）などの気相成長法、又は分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）を介してサファイア基板…又はSiC基板などのヘテロ基板上に成長させられる。しかしながら、単結晶サファイア基板又はSiC基板は、不都合なことに、高価であり、サイズが２又は３インチに制限されるため、大量生産には適切ではない。それ故、当業界においては、半導体業界において一般的に使用されているSi基板が採用される必要がある。しかし、Si基板とGaN単結晶との間の格子定数及び熱膨張係数における違いのために、GaN層は、商用化されるにはあまりにも多くの欠陥及び亀裂を受ける。」ことを教示している。
【０００４】
「この問題を解決するための従来の方法によれば、Si基板上にバッファ層が形成され得る。」  バッファ層の或る例は、「…Si基板の（１１１）結晶面上に形成される…AlNバッファ層、全体的な厚さが300nmまで成長させられ、約0.87乃至0.07の範囲内で変えられるAl組成比（x）を備える…AlxGa1-xN中間層、及び2μmの厚さまで…AlxGa1-xN中間層上に成長させられる…GaN単結晶」である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、基板であって、前記基板上に湾曲制御層が形成される基板上に成長させられるＩＩＩ族窒化物発光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施例においては、成長基板の上面上に半導体構造が成長させられる。前記半導体構造は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置されるＩＩＩ族窒化物発光層を有する。湾曲制御層は、前記成長基板と直接接触して配置される。前記成長基板は、GaNの熱膨張係数より小さい熱膨張係数を持ち、前記湾曲制御層は、GaNの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を持つ。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】基板であって、前記基板の底面に湾曲制御層を備える基板上に成長させられた発光装置を図示する。
【図２】薄膜フリップチップ装置内に形成された図１の構造を図示する。
【図３】サファイア、湾曲制御層を備えないSi及び湾曲制御層を備えるSi上にＩＩＩ族窒化物構造が成長させられる成長時間の関数としてウエハ湾曲を図示する。
【図４】基板であって、前記基板の上面に湾曲制御層を備える基板上に成長させられた発光装置を図示する。
【図５】基板であって、前記基板の前記上面と前記底面との両方に湾曲制御層を備える基板上に成長させられた発光装置を図示する。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
GaN、Si及びサファイアの弾性率（modulus）、熱膨張係数、GaNに対する熱膨張パーセンテージ、及び300Kにおける熱伝導率を、下の表に示す。
【表１】
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【０００９】
熱膨張係数によれば、Si上でのGaN成長は、冷却時に引っ張り湾曲をもたらす。これは、GaN膜が引き離されることを意味する。サファイア上でのGaN成長は、圧縮湾曲をもたらす。これは、GaN膜が一緒に圧縮されることを意味する。Siは、最も低い弾性率（及び融解温度）を持つ。これは、Siの相対強度が、特に、１０００°を超え得るGaNの成長温度において、GaNとサファイアとの両方と比べて、弱いことを示している。従って、Si基板上に形成されるGaN又はAl2O3の膜は、膜及び基板の相対的な厚さに依存して、システムにおける曲げる性質及び亀裂が入る性質に影響を及ぼし得る。  
【００１０】
本発明の実施例においては、半導体材料と基板との間の熱的不整合によって引き起こされる湾曲を減らすために、湾曲制御層が基板に形成される。幾つかの実施例においては、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料であり、成長基板は、Siであるが、他の半導体材料及び他の基板が用いられてもよい。湾曲制御層は、基板の正面（即ち、ＩＩＩ族窒化物材料が成長させられる面）、基板の背面、又は基板の両面に形成され得る。
【００１１】
図１は、本発明の実施例を図示している。湾曲制御層１０は、成長基板１２の背面に形成されている。幾つかの実施例においては、湾曲制御層１０は、成長基板１２より大きい熱膨張係数を持ち、装置を形成するのに必要とされる処理条件に耐えることができる材料である。幾つかの実施例においては、湾曲制御層１０は、成長基板１２より大きい弾性率も持つ材料である。  
【００１２】
湾曲制御層１０の厚さは、成長基板１２の厚さ、成長基板１２上で成長させられる半導体材料の厚さ、湾曲制御層材料の弾性率、及び成長基板１２の熱膨張係数と湾曲制御層１０の熱膨張係数との間の差の大きさによって決定され得る。例えば、一般に、熱的不整合によって引き起こされる湾曲に所与のレベルの影響を与えることを達成するためには、成長基板の厚さが薄い場合には、より薄い湾曲制御層が用いられてもよく、成長させられる半導体材料の厚さが薄い場合には、より薄い湾曲制御層が用いられてもよく、湾曲制御層の弾性率が小さい場合には、より厚い湾曲制御層が用いられてもよく、成長基板１２の熱膨張係数と湾曲制御層１０の熱膨張係数との間の差が減少するにつれてより厚い湾曲制御層が用いられてもよい。
【００１３】
幾つかの実施例においては、成長基板１２は、ケイ素、GaNの熱膨張係数より小さい熱膨張係数を持つ材料であり、湾曲制御層１０は、Al2O3、GaNの熱膨張係数より大きい熱膨張係数を持つ材料である。湾曲制御層１０は、例えば、基板１２上にスパッタ蒸着又は電子ビーム蒸着される多結晶α-Al2O3であり得る。Si基板の背面に形成される多結晶Al2O3湾曲制御層１０は、幾つかの実施例においては50nmと5ミクロンとの間の厚さであってもよく、幾つかの実施例においては50nmと1ミクロンとの間の厚さであってもよく、幾つかの実施例においては50nmと500nmとの間の厚さであってもよく、幾つかの実施例においては100nmと300nmとの間の厚さであってもよく、幾つかの実施例においては200nmの厚さであってもよい。Si基板は、幾つかの実施例においては200ミクロンと5mmとの間の厚さであってもよく、幾つかの実施例においては300ミクロンと2mmとの間の厚さであってもよく、幾つかの実施例においては400ミクロンと1mmとの間の厚さであってもよい。幾つかの実施例においては、より大きい直径の基板は、より小さい直径の基板より厚い。適切な直径の例は、3インチ、6インチ及び他の市販されているSi基板を含む。
【００１４】
基板１２及び湾曲制御層１０は、成長反応器内に配置され、ＩＩＩ族窒化物成長が開始する。１つ以上の準備層が、基板１２の上面、即ち、図１の装置における湾曲制御層１０の反対側の面に成長させられる。図１に図示されている構造においては、２つの準備層１４及び１６が示されている。
【００１５】
基板１２と直接接触してAlN核形成層１４が成長させられる。ガリウムはSi基板の表面と望ましくない反応をすることから、Si基板上の核形成層として、多くの場合、GaNの代わりに、AlNが用いられる。ScNなどの、核形成層成長温度でSiを分解しない又はSiと反応しない他の核形成層であって、前記他の核形成層においてＩＩＩ族窒化物材料が核を成すだろう他の核形成層が、Si基板と一緒に用いられてもよい。他の核形成層は、他の基板材料と一緒に用いられてもよい。核形成層は、幾つかの実施例においては50nmと500nmとの間の厚さであってもよく、幾つかの実施例においては約100nmの厚さであってもよい。
【００１６】
核形成層１４の上には、傾斜バッファ領域（graded buffer region）１６が成長させられる。傾斜領域１６は、核形成層１４と接触している領域内のAlNから、装置層１８と接触している領域内の AlGaNへ徐々に変わり得る。傾斜領域１６は、AlNから、幾つかの実施例においては90%のAlNを備えるAlGaNへ、幾つかの実施例においては10%のAlNを備えるAlGaNへ、幾つかの実施例においてはGaNへ徐々に変わり得る。傾斜領域１６は、幾つかの実施例においては100nmと2000nmとの間の厚さであってもよい。幾つかの実施例においては、傾斜領域１６は省かれ、装置層は、直接、核形成層１４の上で成長させられる。傾斜領域を含むことは、品質がより高く且つ／又はより厚い装置層を成長させることを可能にし得る。
【００１７】
幾つかの実施例においては、湾曲制御層は、図４に図示されているように、基板１２と半導体材料との間に形成され、又は湾曲制御層１０は、図５に図示されているように、基板１２の正面と背面との両方に形成される。基板１２と、１つ又は複数の準備層との間に配置される湾曲制御層は、湾曲制御層上でＩＩＩ族窒化物材料が核を成すだろうように形成され得る。
【００１８】
ｎ型領域と、発光又は活性領域と、ｐ型領域とを含む装置層１８は、準備層１４及び１６の上で成長させられる。ｎ型領域は、一般に、最初に成長させられ、例えば、ｎ型であり得る又は意図的にはドーピングされない、バッファ層又は核形成層などの付加的な準備層、後の基板の剥離又は基板除去後の半導体構造の薄層化を容易にするよう設計される剥離層、及び発光領域が効率的に光を放射するのに望ましい特定の光学的又は電気的特性のために設計されるｎ型装置層又はｐ型装置層を含む、異なる組成及びドーパント濃度の多数の層を含み得る。発光又は活性領域は、ｎ型領域の上で成長させられる。適切な発光領域の例は、単一の厚い若しくは薄い発光層、又は障壁層によって分離される多数の薄い若しくは厚い量子井戸発光層を含む多重量子井戸発光領域を含む。ｐ型領域は、発光領域の上で成長させられる。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域は、意図的にはドーピングされない層又はｎ型層を含む、異なる組成、厚さ及びドーパント濃度の多数の層を含み得る。
【００１９】
図２は、薄膜フリップチップ装置に加工された図１の構造を図示しており、ここでは、接点が、構造の上面に形成され、構造が、ひっくり返され、マウントに取り付けられ、次いで、成長基板が、取り除かれる。図１、４及び５に図示されている構造は、任意の適切な装置に加工され得る。用いられ得る装置構造の他の例は、ｎ型接点及びｐ型接点が装置の反対側に形成される垂直装置、成長基板が装置の一部のままであるフリップチップ装置、及び光が透明な接点を通して抽出される装置を含む。幾つかの実施例においては、基板１２がSiであり、基板１２の全て又は一部が導電性であり、湾曲制御層１０が装置層１８の成長後に基板１２から取り除かれ、ｎ型接点が基板１２の背面に形成される。
【００２０】
図２に図示されている装置を形成するためには、ｐ型接点６０が、ｐ型領域の上面に形成される。ｐ型接点６０は、銀などの反射層を含み得る。ｐ型接点６０は、抵抗接点層、並びに例えばチタン及び／又はタングステンを含む保護シートなどの他のオプション層を含み得る。ｐ型接点６０、ｐ型領域及び活性領域の一部は、ｎ型接点６２が形成されるｎ型領域の一部を露出させるよう取り除かれる。
【００２１】
ｐ型接点及びｎ型接点において（図２には図示されていない）相互接続部が形成され、次いで、装置が、相互接続部を介してマウント２２に接続される。相互接続部は、はんだ又は他の金属などのあらゆる適切な材料であってもよく、材料の多数の層を含んでもよい。幾つかの実施例においては、相互接続部は、少なくとも１つの金製の層を含み、ＬＥＤセグメントとマウントとの間の結合は、超音波ボンディングによって形成される。超音波ボンディングのために、ＬＥＤダイは、マウント上に配置されるボンドヘッドは、ＬＥＤダイの上面、例えば、成長基板の上面に配置される。ボンドヘッドは、超音波トランスデューサに接続される。超音波トランスデューサは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）層のスタックであり得る。システムを調和共振させる周波数（多くの場合、数十又は数百kHzのオーダーの周波数）において電圧がトランスデューサに印加される場合、トランスデューサは、振動し始め、これは、ボンドヘッド及びＬＥＤダイを、多くの場合ミクロンのオーダーの振幅で、振動させる。振動は、ｎ型接点及びｐ型接点、又はｎ型接点及びｐ型接点において形成される相互接続部などの、ＬＥＤの構造の金属格子内の原子を、マウントの構造と互いに混ぜ合わせ、治金学上連続的な接合をもたらす。ボンディング中、熱及び／又は圧力が加えられてもよい。 
【００２２】
半導体構造がマウント２２に結合された後、成長基板の全て又は一部が取り除かれ得る。例えば、多結晶Al2O3湾曲制御層は、レーザリフトオフ、又は研削、研磨若しくは化学機械研磨などの機械技術によって取り除かれることができ、次いで、Si基板は、エッチング、又は研削などの機械技術によって取り除かれることができる。成長基板が取り除かれた後、半導体構造は、例えば、光電気化学（ＰＥＣ）エッチングによって、薄くされ得る。ｎ型領域の露出面は、例えば、フォトニック結晶を形成することによって、又は粗くすることによって、テクスチャード加工され得る。垂直装置においては、ｎ型接点は、ｎ型領域の、成長基板を取り除くことによって露出される面に形成され得る。幾つかの実施例においては、成長基板及び湾曲制御層は、完成した装置の一部のままである。
【００２３】
半導体構造の上には、１つ以上の波長変換材料５６が配置され得る。波長変換材料は、例えば、シリコーン又はエポキシなどの透明な材料内に配置され、スクリーン印刷又はステンシル印刷によってＬＥＤ上に配置される１つ以上の粉末蛍光体、電気泳動析出、スプレーコーティング又は沈殿によって形成される１つ以上の粉末蛍光体、若しくはＬＥＤに接着又は結合される１つ以上のセラミック蛍光体、１つ以上の色素又は上記の波長変換層の任意の組み合わせであり得る。発光セラミックとも呼ばれるセラミック蛍光体は、参照により本願明細書に盛り込まれる米国特許7,361,938により詳細に記載されている。波長変換材料は、発光領域によって放射される光の一部は前記波長変換材料によって変換されないように形成され得る。幾つかの例においては、装置から放射される変換されない光と変換された光との組み合わせが白色に見えるように、変換されない光は、青色であり、変換される光は、黄色、緑色及び／又は赤色である。
【００２４】
幾つかの実施例においては、波長変換層５６の上に、又は波長変換層５６と装置層１８との間に、１つ以上のレンズ、偏光子、ダイクロイックフィルタ又は当業界では既知の他の光学部品が形成される。
【００２５】
図１に図示されているような、Si基板１２と、200nmの厚さの多結晶Al2O3湾曲制御層１０と、AlN核形成層１４及びAlGaN傾斜領域１６から成る0.5ミクロンの厚さの準備層構造と、装置層１８と置換する1.5ミクロンの厚さのGaN層とを備える構造において、本発明者は、湾曲制御層１０を備えないSi基板上に成長させられる構造と比べて、GaN成長温度からの冷却時の引っ張り湾曲の減少を観察した。多結晶Al2O3湾曲制御層１０の熱伝導率により、ウエハの最初の加熱においても、幾らかの湾曲の減少が観察された。
【００２６】
図３は、成長時間の関数として３つのウエハの湾曲を図示している。AlN核形成層１４及びAlGaN傾斜領域１６から成る0.5ミクロンの厚さの準備層構造と、1.5ミクロンの厚さのGaN層とが、３つの基板、即ち、サファイア基板、及び２つのSi基板であって、１つは、図１に図示されているような多結晶Al2O3湾曲制御層１０を備え、１つは備えないSi基板の上で成長させられた。図３において成長実行時間のために示されている任意の単位で0から1.5まで最初の加熱が行われ、1.5から6までＩＩＩ族窒化物成長が行われ、6から8まで冷却が行われる。湾曲制御層を備えないSi基板上での成長は、最初の加熱時に、ウエハにわたっての温度勾配により、図３に図示されているように、任意単位で1の引っ張り湾曲を示した。冷却後の最終的な引っ張り湾曲は、任意単位で3である。湾曲制御層を備えるSi基板の場合は、加熱中に湾曲が観察されなかった。GaN層の成長後の冷却後の最終的な引っ張り湾曲は、任意単位で1.5である。湾曲制御層を備えるSi基板においては、湾曲制御層を備えないSi基板と比べて、より少ない亀裂しか観察されなかった。比較のためのサファイア基板上での成長は、最初の加熱時に、サファイアにわたっての温度勾配により、任意単位で3の引っ張り湾曲もたらし、冷却後に、任意単位で3の最終的な圧縮湾曲をもたらす。
【００２７】
本発明を詳細に説明したが、当業者には、本開示を鑑みて、ここに記載されている本発明の思想の趣旨から外れない修正が本発明に対してなされ得ることは分かるであろう。それ故、本発明の範囲を、図示及び記載されている特定の実施例に限定する意図はない。
【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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【国際調査報告】
2013517621.tif 000009
2013517621.tif 000010
2013517621.tif 000011