(57)【要約】  半導体構造が、n-タイプの領域22とp-タイプ領域26との間に配置されたIII族の窒化物の発光層24を有している。当該半導体構造は更に、第1の層23の上に成長した湾曲制御層25を有する。当該湾曲制御層は、n-タイプの領域と第1の層との間に配置される。湾曲制御層はGaNの理論的な格子定数よりも小さな理論的な格子定数をもつ。第1の層は実質的に単結晶の層である。
2013504197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
nタイプの領域とp-タイプとの領域の間に配置されたIII族の窒化物の発光層と、
第1の層に接する湾曲制御層と、
を有する半導体構造を有するデバイスであって、
前記湾曲制御層が、GaNの理論的な格子定数よりも小さな理論的な格子定数をもち、
前記第1の層が単結晶の層であり、
前記湾曲制御層が、前記n-タイプの領域と前記第1の層との間に配置されているデバイス。
【請求項２】
前記湾曲制御層がアルミニウムを有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記湾曲制御層がAlGaNである請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記湾曲制御層が0％よりも多く且つ10%よりも少ないAlNの組成をもつ請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記湾曲制御層がAlInGaNである請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記湾曲制御層が3.165Åと3.188Åとの間の理論的な格子定数をもつ請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記湾曲制御層が3.180Åと3.184Åとの間の理論的な格子定数をもつ請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記湾曲制御層が0.5μmと5μmとの間の厚さである請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記湾曲制御層が1μmと2μmとの間の厚さである請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記湾曲制御層が意図的にドーピングされてはいない請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記n-タイプの領域に配置されたn-接点と、前記p-タイプの領域に配置されたp-接点とを更に有し、当該n-接点及び当該p-接点の両方が半導体構造の同じ側に形成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記湾曲制御層の組成及び厚さが、高い成長温度からの冷却の間に前記第1の層に誘起される熱圧縮応力を少なくとも部分的に補正するよう選択されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
-    第1の層の上に接する湾曲制御層と、
-    n-タイプの領域とp-タイプの領域との間に配置されたIII族の窒化物の発光層と、
を有する半導体構造を基板上に生成させるステップを含む方法であって、
前記湾曲制御層がGaNの理論的な格子定数よりも小さな理論的な格子定数をもち、
前記第1の層が単結晶の層であり、
前記湾曲制御層が、前記n-タイプの領域と前記第1の層との間に配置されていることを特徴とする、方法。
【請求項１４】
前記湾曲制御層が前記第1の層よりも遅い速度で生成されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記湾曲制御層の組成及び厚さが、高い成長温度からの冷却の間に前記第1の層に誘起される熱圧縮応力を少なくとも部分的に補正するよう選択されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湾曲を制御する層を備えたIII族の窒化物のデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（LED）、共振空胴型発光ダイオード（RCLED）、垂直共振器型レーザ・ダイオード（VCSEL）、及び端部発光レーザを含む半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率の良い光源の一つである。可視スペクトル全体にわたって動作が可能な高輝度発光デバイスの製造において現在興味の対象となる材料系は、III族の窒化物材料とも呼ばれるIII族乃至V族の半導体、特にガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素のII族、III族、及びIV族の合金を含む。通常、III族の窒化物の発光デバイスは、種々異なる組成とドーパント濃度とをもつ半導体層のスタックを、サファイヤ、炭化珪素、III族の窒化物、これらのコンポジット（混晶）、又は他の適切な基板上で、金属有機化学蒸着法（MOCVD）、分子線エピタキシ法（MBE）又は他のエピタキシャル技術によってエピタキシャルに成長させることにより製造される。当該スタックは通常、基板上に形成された例えばSiをドーピングした一つ以上のn-タイプの層と、当該n-タイプの層又は複数の層で形成された活性領域中にある一つ以上の発光層と、活性領域上に形成された例えばMgをドーピングした一つ以上のp-タイプの層と、を含む。電気接点がn-タイプの領域及びp-タイプの領域の上に形成される。III族の窒化物のデバイスは、しばしば反転デバイス又はフリップ・チップ・デバイスとして形成され、n-接点及びp-接点の両方が半導体構造の同じ側に形成され、半導体構造の前記接点のある反対側から光が抽出される。
【０００３】
図1は、米国特許公報US 6,194,742において更に詳細に説明されているフリップチップのIII族の窒化物のデバイスを例示している。段落3の冒頭の行41で、図1に例示されたデバイスが次のように説明されている。「歪処理及び不純物残留ガスの除去の役割を遂行するために、界面層16が発光ダイオード構造部又はレーザ・ダイオード構造部に加えられる。Mg、Zn、CdによってドーピングしたAlxInyGa1-x-yN（0≦x≦1、0≦y≦1）の層が、当該界面層用に使用されることができる。代替的には、x＞0であるAlxInyGa1-x-yNを使用する場合、界面層はドーピング無しでもよい。界面層は、AlInGaN、AlInGaP、及びAlInGaAsの合金を含むこともでき、GaN、GaP、及びGaAsの合金を含むこともできる。n-タイプの（GaN：Si）層18、活性領域10、及びp-タイプの層22の成長に先行して、界面層16がバッファ層14の上に直接蒸着される。界面層の厚さは0.01μmから10.0μmの間で変化するが、好ましい厚さの範囲は0.25μm乃至1.0μmの間である。バッファ層14が基板12上に形成される。基板12は透明である。金属接点層24A、同24Bが、p-タイプの層22及びn-タイプの層18へと蒸着される。」好ましい実施例では、界面層の組成のためにGaN:Mg及び/又はAlGaNを使用した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、湾曲を制御する層（湾曲制御層）をIII族の窒化物デバイスに含有させることである。幾つかの実施例において当該湾曲制御層は、サファイヤ基板上で成長するIII族の窒化物フィルム中の屈曲量を減じることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施例は、n-タイプの領域とp-タイプの領域との間に配置されたIII族の窒化物の発光層を有する半導体構造を備えている。当該半導体構造は更に、第1の層の上に成長した湾曲制御層を有する。当該湾曲制御層は、n-タイプの領域と第1の層との間に配置される。湾曲制御層は、GaNの理論的な格子定数よりも小さな理論的な格子定数をもっている。第1の層は実質的に単結晶の層である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】バッファ層とn-タイプの層との間に配置された界面層を有するIII族の窒化物の発光デバイスを例示する。
【図２】本発明の実施例によるIII族の窒化物の発光デバイスの一部を例示する。
【図３】マウントに結合されたフリップチップの発光デバイスを例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
III族の窒化物のデバイスは、しばしばサファイヤ基板上で成長する。サファイヤ上で成長し、何らかのバッファ層又は核生成層を含み、第一級の高品質で、実質的に単結晶の層である第1の層は、しばしばGaNである。GaNとサファイヤとの間の格子の不整合及び化学的な不整合に起因して、サファイヤ上で成長するGaNは応力を発生する。応力の大きさは核生成の条件及び合体条件に依存する。半導体構造が成長した後にウェーハが冷却されるので、サファイヤ（7.5x10-6/K）と比較するとGaN（5.6x10-6/K）のより低い熱膨張率に起因して、追加の応力が半導体構造内に形成される。冷却の間に発生する応力は、格子の不整合及び化学的な不整合に起因する固有の応力を部分的に相殺する。
【０００８】
サファイヤ上で成長する半導体材料の厚さが増すにつれて、半導体材料中の圧縮応力を部分的に補正するためにウェーハが上部、即ち半導体構造が成長する面から見た場合、ウェーハが凸面状にお辞儀をする（屈曲する）ことがある。例えば、μmオーダーの厚さの半導体構造を有するデバイスのウェーハは何十μmのオーダーで屈曲することがあり、当該数値はウェーハの端部の高さと中央の高さとの間の差を表している。フォトリソグラフィなどの処理の際に屈曲量が補正されねばならないので、屈曲することは問題である。
【０００９】
本発明の実施例によれば、当該屈曲を少なくとも部分的に補正する層が、III族の窒化物の発光デバイスに備えられる。
【００１０】
図2は、本発明の実施例によるIII族の窒化物のデバイスの一部を例示する。図2に例示されているデバイスにおいて、GaN構造23が成長基板（図2には示されていない）上で最初に成長する。当該成長基板はどのような適切な成長基板でもよく、通常はサファイヤ又はSiCである。GaN構造23がバッファ層又は核生成層など一つ以上の前処理層を含んでもよい。少なくとも一つの高品質で単結晶の層、しばしばGaNか又は高温で成長する低い組成のAlNの混晶AlGaNがGaN構造23に含まれる。GaN構造23が、GaNではなくInGaN、AlGaN、又はAlInGaNなどの層であるIII族の窒化物の層を含んでもよい。
【００１１】
湾曲制御層25は、GaN構造23に含まれる単結晶の層の上に成長する。当該湾曲制御層25は、前記単結晶の層の格子定数よりも小さな理論的な格子定数をもつ単結晶の層である。幾つかの実施例では、湾曲制御層25はGaNの理論的な格子定数よりも小さな理論的な格子定数をもっている。幾つかの実施例では、湾曲制御層25はAlGaN又はAlInGaNである。湾曲制御層25がGaNか又は当該湾曲制御層25よりも大きな理論的な格子定数をもつ幾つかの他の材料、例えば、より小さなAlNの組成をもつAlGaN上で成長する場合、湾曲制御層25は引張り状態にある。GaN構造23の成長温度からの冷却に起因して、湾曲制御層25の張力は基板により誘起された熱圧縮応力を少なくとも部分的に補正することができ、デバイスのウェーハにおける屈曲量を減じる。湾曲制御層をもたないデバイスでは、発明者は94μmの屈曲量を観察した。一方、8.5％のAlNを有するAlGaN湾曲制御層を備えた同等のデバイスにおいて、発明者は61μmの屈曲量を観察した。
【００１２】
湾曲制御層25が引張り状態にあるためには、湾曲制御層自体が実質的に単結晶の層であるよう湾曲制御層は十分に高品質な層の上に成長しなければならない。図1に例示されているデバイスでは界面層16がバッファ層14に直接蒸着されており、通常これは低温で成長するアモルファス層である。米国特許公報US 6,194,742で説明したバッファ層の上で成長する界面層16は通常、層の屈曲を減じるのに必要とされる引張り状態にある擬似的な形態をもつ層ではない。
【００１３】
AlGaNの湾曲制御層25中のAlNの組成は、例えば幾つかの実施例では30％未満でもよく、幾つかの実施例では2％と15％との間でもよく、幾つかの実施例では6％と10％との間でもよく、幾つかの実施例では7％と9％との間でもよく、幾つかの実施例では7.5％と9.5％との間でもよい。10％よりも大きな組成では、幾つかのデバイスで、発明者は湾曲制御層中に埋没したクラックを観察し、これは実際には屈曲量を増す。幾つかの実施例では、AlInGaN湾曲制御層25中のAlN組成は、上で詳述したAlGaNの湾曲制御層に対するAlNの組成と同じである。InNの格子定数がGaNの格子定数と比較して大きいので、InNの添加が湾曲制御層の引張り量を減じてしまい、したがってInNの組成は概して低く保たれる。例えば、幾つかの実施例では、AlInGaNの湾曲制御層中のInNの組成は数％のオーダーである。幾つかの実施例では、InNの添加によって生じる張力の減少を少なくとも部分的に補正するために、AlInGaNの湾曲制御層中のAlNの組成が、AlGaNに湾曲制御層に対して上で説明されたAlNの組成よりも大きくてもよい。
【００１４】
AlNの格子定数（3.111Å）、GaNの格子定数（3.189Å）、及びInNの格子定数（3.533Å）からベガードの法則に従って算出される湾曲制御層25の理論的な格子定数は、幾つかの実施例では3.111Åと3.189Åとの間であり、幾つかの実施例では3.165Åと3.188Åとの間であり、幾つかの実施例では3.180Åと3.184Åとの間であり、幾つかの実施例では3.182Åと3.183Åとの間である。AlxInyGa1-x-yN層に対しては、格子定数は、aAlInGaN＝（aAlN）x＋（aInN）y＋（aGaN）(1-x-y）により算出されることができる。
【００１５】
湾曲制御層25は、屈曲を減じるために十分な張力を生じさせるよう十分に厚いが、しかし湾曲制御層が亀裂を生じないよう十分に薄い。湾曲制御層は、幾つかの実施例では例えば200Åからちょうど亀裂を生じる限界の厚さまでであり、幾つかの実施例では500Å乃至1500Åの厚さであり、幾つかの実施例では0.5μm乃至5μmの厚さであり、幾つかの実施例では1μm乃至2μmの厚さである。AlGaN層中のAlNの組成が増すので、理論的な格子定数は減少する。したがってAlNの組成が増すにつれて、AlGaN層が亀裂なしで成長できる厚さは減少する。
【００１６】
湾曲制御層中の張力の大きさ及びこれによる湾曲制御層の屈曲を減じる能力は、湾曲制御層の厚さ、及び湾曲制御層の理論的な格子定数と、上で湾曲制御層が成長する層の実際の格子定数との間の差によって生じる歪の所産である。所与の張力の大きさを実現するために、多く歪んだ湾曲制御層は、より少なく歪んだ湾曲制御層よりも薄い。幾つかの実施例では、湾曲制御層はGaN層上で成長する。斯様なGaN層の実際の平面方向の格子定数は成長条件に依存しており、例えば3.184Å及び3.189Åの間で変化する。上で湾曲制御層が成長するGaN層が比較的小さな平面方向の格子定数をもつ場合、AlNの組成及び/又は湾曲制御層の厚さは、上で湾曲制御層が成長するGaN層が比較的大きな平面方向の格子定数を有する場合に比べて、より小さい。
【００１７】
幾つかの実施例では、湾曲制御層はGaN構造23よりも遅い速度で成長する。
【００１８】
湾曲制御層25がn-タイプのドーパント又はp-タイプのドーパントによってドーピングされてもよいが、通常意図的にドーピングされることはない。
【００１９】
n-タイプの領域と、発光領域又は活性領域と、p-タイプの領域と、を含む半導体構造が湾曲制御層の上に成長する。n-タイプの領域22が基板上で最初に成長する。n-タイプの領域22は異なる組成と異なるドーパント濃度をもつ複数の層、例えばバッファ層若しくは核生成層などのn-タイプか又は意図的にドーピングされない前処理層と、後工程での成長基板の剥離を容易にするか、又は基板除去の後に半導体構造を薄くするのを容易にするよう設計された剥離層と、発光領域が効率良く光を発するのに所望される特定の光学特性若しくは電気特性に対して設計されたn-タイプのデバイス層を含むか、又はp-タイプのデバイス層さえも含んでもよい。
【００２０】
幾つかの実施例では、湾曲制御層25が二つの高品質で実質的に単結晶の層の間に挟まれる。湾曲制御層25を挟んでいる層の一方又は両方の転位密度は、幾つかの実施例では105 cm-2及び109 cm-2の間である。
【００２１】
発光領域又は活性領域24がn-タイプの領域22の上に成長する。好適な光を発する領域の例としては、単一の厚い発光層若しくは薄い発光層、又は障壁層によって隔てられた複数の薄い量子井戸の発光層若しくは厚い量子井戸の発光層を含む複数の量子井戸発光領域が挙げられる。例えば複数の量子井戸発光領域は、各々が100Å以下の厚さを有する障壁によって隔てられ、各々が25Å以下の厚さを有する複数の発光層を含む。幾つかの実施例では、デバイス中の発光層の各々の厚さは50Åよりも厚い。
【００２２】
p-タイプの領域26が発光領域24の上に成長する。n-タイプの領域と同様に、当該p-タイプの領域は、意図的にドーピングされてはいない層又はn-タイプの層を含む異なる構成、異なる厚さ、及び異なるドーパント濃度をもつ複数の層を含む。
【００２３】
図3は、マウント40に結合されたLED 42を例示する。しばしば反射性の銀接点であるp-接点48がp-タイプの領域の上に形成されている。p-接点を形成する前後に、n-タイプの領域の一部が、p-タイプの領域及び発光領域の一部をエッチングすることにより露出される。n-タイプの領域22、発光領域24、及びp-タイプの領域26を含む半導体構造が図3の構造44により表されている。n-接点46が、n-タイプの領域の露出された部分の上に形成される。n-接点46がn-タイプの領域22の上に形成されるので、湾曲制御層25はデバイスの電流経路には存在せず、これゆえ湾曲制御層25の組成の如何にかかわらず、デバイスの電気的性質を変えることはない。
【００２４】
LED 42が、n-タイプの相互接続部56及びp-タイプの相互接続部58によってマウント40へと接続される。相互接続部56、同58は、半田合金又は他の金属などの何らかの適切な材料であればよく、複数の材料層を含んでもよい。幾つかの実施例では相互接続部は少なくとも一つの金(Au)の層を含み、LED 42とマウント40との間の接続が超音波圧着により成される。
【００２５】
超音波圧着の際に、LEDチップ42がマウント40に位置決めされる。圧着ヘッドがLEDチップの上面に、サファイヤ上で成長したIII族の窒化物のデバイスの場合はしばしばサファイヤ成長基板の上面に位置決めされる。圧着ヘッドは超音波トランスデューサに接続している。超音波トランスデューサは、例えばジルコン酸チタン酸鉛（PZT）層のスタックである。システムに調和共振を生じさせる周波数（しばしば数十kHz又は数百kHzのオーダーの周波数）で、電圧が当該トランスデューサに印加された場合、トランスデューサが振動し始め、次に、しばしば数μmのオーダーの振幅で圧着ヘッド及びLEDチップを振動させる。振動は、LED 42の上の構造部が有する金属格子中の原子の、マウント40の上の構造部での内部拡散を生じさせ、結果として冶金学的な連続接点を生じさせる。圧着の間、熱及び/又は圧力が加えられてもよい。
【００２６】
LEDチップ42のマウント40への圧着の後、例えばレーザ・リフトオフ、エッチング、又は特定の成長基板に対して適する他の何らかの技術によって、上で半導体層が成長している成長基板が除去される。成長基板を除去した後に、例えば光電気化学エッチングによって半導体構造が薄くされてもよいし、及び/又は表面が粗くされてもよいし、又は表面を例えば光結晶構造にてパターン化させてもよい。GaN構造23の全て若しくは一部及び湾曲制御層25はデバイス内に留まるか、又は成長基板を除去した後の薄くする処理の際に取り除かれてもよい。基板除去の後、レンズ、波長変換材、又は従来技術で知られている他の構造がLED 42上に配置されてもよい。
【００２７】
本発明が詳細に説明され、当業者は本開示を与えられて、本願明細書において説明されている発明の概念の精神から逸脱することなく改変が本発明になされることができると理解することであろう。これ故本発明の範囲が、例示され且つ説明された特定の実施例に限定されることを意図してはいない。
【図１】
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【図２】
2013504197.tif 000004
【図３】
2013504197.tif 000005
【国際調査報告】
2013504197.tif 000006
2013504197.tif 000007
2013504197.tif 000008