(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチング処理中はバルク窒化アルミニウム基板をエッチング液にさらすように構成されているチャンバと、
前記バルク窒化アルミニウム基板の厚さを示す信号を生成するように構成されている計測ユニットと、
を含む装置であって、
前記バルク窒化アルミニウム基板は、前記バルク窒化アルミニウム基板の上に成長させた１層以上のエピタキシャル層を含むサブアセンブリの基板であり、
前記計測ユニットは、
前記バルク窒化アルミニウム基板によって吸収されるが前記１層以上のエピタキシャル層によって吸収されない波長の光を生成するように構成されている光源と、
前記サブアセンブリを透過した光を検出するように配置されている検出器と、
を含み、
前記検出器は、前記検出された光の波長範囲にわたって前記サブアセンブリのスペクトル応答を特徴づけるように構成されている、
装置。
【請求項２】
前記計測ユニットは、前記サブアセンブリと電気接触するように構成されている電気コンタクトを含み、
前記計測ユニットは、前記電気コンタクトを介して前記サブアセンブリの１つ以上の電気的特性を測定するように構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記計測ユニットは、前記サブアセンブリの近傍の前記チャンバの中のイオン濃度を感知するように構成されている化学センサを含み、
前記計測ユニットは、前記イオン濃度に基づいて前記信号を生成するように構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記信号は、前記バルク窒化アルミニウム基板の前記厚さを示すアナログ信号である、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記信号は、前記バルク窒化アルミニウム基板が前記サブアセンブリの領域において除去されていることを示す、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム部分を実質的に除去または薄膜化する方法に関し、より詳細には、この部分を約５０μｍ未満の厚さまで完全に除去するかまたは化学的に薄膜化する方法に関する。また、本発明の装置は、エッチング処理中にエッチング液にバルク窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板をさらすように構成されたチャンバを含む。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、窒化アルミニウム部分を実質的に除去または薄膜化する方法に関し、より詳細には、この部分を約５０μｍ未満の厚さまで完全に除去するかまたは化学的に薄膜化する方法に関する。また、本発明の装置は、エッチング処理中にエッチング液にバルク窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板をさらすように構成されたチャンバを含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
このバルクＡｌＮ基板は、このバルクＡｌＮ基板上に成長した１層以上のエピタキシャル層を含むサブアセンブリから成る基板である。この装置は、バルクＡｌＮ基板の厚さを示す信号を生成するように構成された計測ユニットも含む。
【０００４】
また、本発明は、バルクＡｌＮ基板上に成長した１層以上のエピタキシャル層を含むサブアセンブリからバルク窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を実質的に除去する方法に関する。ＡｌＮ基板をエッチング処理中にエッチング液にさらす。ＡｌＮ基の厚さを測定し、ＡｌＮ基板の測定された厚さに基づいてエッチング処理を必要に応じて調整する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、バルクＡｌＮ基板とバルク窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板上に形成された１層以上のエピタキシャル層とを初期に含むサブアセンブリを示す図である。
【図２】図２は、サブアセンブリからバルクＡｌＮ基板を除去する方法を示す図である。
【図３】図３は、サブアセンブリを透過した光を使用してＡｌＮ基板の厚さを測定する工程を示す流れ図である。
【図４】図４は、リン酸中のエピタキシャルＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層のエッチング時間をグラフで示す図である。
【図５】図５は、リン酸中のＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層のエッチング速度を示すグラフである。
【図６】図６は、本明細書に開示されている方法を使用した基板の除去前後の試料サブアセンブリのＸ線回折測定の一例である。
【図７】図７は、湿潤エッチングによりサブアセンブリからＡｌＮ基板を除去するために使用することができる装置を示す図である。
【図８】図８は、本明細書に開示されている方法を用いて達成されるバルクＡｌＮエッチングのエッチング速度を温度の関数として示す図である。
【図９】図９は、サブアセンブリのプロフィルメータ測定値の重畳されたグラフを示す図である。
【図１０】図１０は、ＡｌＮ基板の厚さを示す信号を生成するために光を使用する装置を示す図である。
【図１１】図１１は、ＡｌＮ基板の厚さを示す信号を生成するために光を使用する装置を例示する図である。
【図１２】図１２は、ＡｌＮ基板の厚さを示す信号を生成するためにサブアセンブリによって生成される光を使用する装置を示す図である。
【図１３】図１３は、ＡｌＮ層の厚さの関数としての光検出器によって生成された信号の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、後で除去されるバルクＡｌＮ基板上で初期に成長させた紫外線（ＵＶ）発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す図である。
【図１５】図１５は、エッチング低減層を含む紫外線発光ダイオードを示す図である。
【図１６】図１６は、基板が除去された表面にて裏面コンタクトを有する垂直方向の電気的注入ＬＥＤアーキテクチャを示す図である。
【図１７】図１７は、本明細書に説明されている処理に基づいて除去されたＡｌＮ基板を有するレーザダイオード設計のエネルギーバリアを示す図である。
【図１８】図１８は、得られたエピタキシャル成長させたテンプレート／基板を示す図である。
【図１９】図１９は、スタンドアロン型のエピタキシャル成長させたテンプレート／基板を形成する処理を示す図である。
【図２０】図２０は、界面層をエッチングすることにより基板からエピタキシャル成長させたヘテロ構造が分離した後に得られた構造を示す図である。
【図２１】図２１は、界面層をエッチングすることによりエピタキシャル成長させたヘテロ構造を形成してこのヘテロ構造を基板から分離させる処理を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
バルク結晶ＡｌＮ基板は、種結晶から単結晶ＡｌＮボウルを成長させ、ボウルをウエハ基板にスライスすることによって形成される。材料の層、例えば、実質的にバルクＡｌＮ基板に格子整合されたＩＩＩ族窒化物材料を、本明細書中に説明されているサブアセンブリを形成するために、高結晶質を有するウエハ基板上にエピタキシャル成長させてよい。サブアセンブリ層は、エピタキシャル成長の初期表面であるバルクＡｌＮ基板に最も近い表面を有している。バルクＡｌＮ基板を除去した後、エピタキシャル成長層は、バルク結晶ＡｌＮ基板と実質的な格子整合によってエピタキシャル成長の初期表面の近傍で低い欠陥密度を有することができる。例えば、エピタキシャル層の欠陥密度は、１０８ｃｍ−３より低いかまたはエピタキシャル成長の初期表面の約１００ｎｍ以内で約１０１０ｃｍ−３〜約１０３ｃｍ−３の範囲であってよい。エピタキシャル層の欠陥密度は、基板の欠陥密度に関連し得る。例えば、エピタキシャル層の欠陥密度は、基板の欠陥密度の約１０〜約１０００倍の範囲であってよい。
【０００７】
基板の実質的な除去は、エピタキシャル成長の初期表面の大部分に対して基板を除去する工程を含む。基板の実質的な除去は、たとえば、エピタキシャル成長の初期表面の大部分に対して化学的にエッチングすることにより、ＡｌＮ基板を薄膜化する工程を含む。場合により、基板残部は、エッチング処理後のエピタキシャル成長の初期表面の大部分に対して残留する。基板残部は、約５０μｍ〜０ｎｍ（完全に除去）または約５０μｍ未満の厚さを有する。
【０００８】
バルクＡｌＮ基板は、この材料における色中心、不純物、および他の欠陥により、ある波長範囲、たとえば、３６５ｎｍ以上の波長に対して、および／または、約２００ｎｍ〜約３６５ｎｍのＵＶ波長範囲において実質的に光吸収性である。発光素子の場合、バルクＡｌＮ基板の実質的な除去によって素子の基板側（本明細書中では素子の裏面として示す）、すなわち、このバルクＡｌＮが実質的に除去された表面を介して光を射出することが可能となる。バルクＡｌＮ基板の実質的な除去は、表面テクスチャリングおよび／または電気コンタクトなどの他の目的のために、この素子の裏面へのアクセスを提供することもできる。スタンドアロン型のエピタキシャルテンプレート／基板の場合、バルクＡｌＮ基板の実質的な除去によってエピタキシャルテンプレート／基板が約３６５ｎｍ以上の波長を有する光に対しておよび／または約２００ｎｍ〜約３６５ｎｍの波長範囲の光に対して実質的に光透過性となることができる。
【０００９】
一部の発光素子の設計において、アクティブな発光層の真上の層は少なくともある程度は光吸収性であるので、素子の裏面から光を抽出することが特に有用である。レーザダイオードの場合、光吸収性の基板は、導波管材料のロスを助長し、これによりレーザ処理を達成するために必要とされる利得が大きくなる。窒化アルミニウム基板は電気的に絶縁性であることから、素子上にこれらの基板を残すことにより、裏面コンタクトを有する垂直方向の注入レーザダイオードアーキテクチャを排除する。
【００１０】
図１は、バルク結晶ＡｌＮ基板１４０とこのバルクＡｌＮ基板１４０上に形成させたエピタキシャル層１５０とを最初に含むサブアセンブリ１００を示す図である。図１はいくつかのエピタキシャル層１５０を示しているが、サブアセンブリはこれより多いまたは少ないエピタキシャル層を含んでよいし、一部の実施においては１層のみのエピタキシャル層を含んでもよい。ＡｌＮ基板１４０は、第１の表面１４１と第２の表面１４２と有している。バルク結晶ＡｌＮ基板は、第１と第２の表面１４１、１４２においてスライスされるインゴットとして成長させてよい。
【００１１】
場合により、図１に示すように、エピタキシャル層１５０は、第１のヘテロ構造１１０と第２のヘテロ構造１３０に挟まれた１層以上の発光層１２０を含む。発光層１２０および／またはヘテロ構造１１０、１３０は、低欠陥密度でＡｌＮ上にエピタキシャル成長させることができる材料系、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、および／またはＩｎＡｌＧａＮから形成されてよい。この例では、バルクＡｌＮ基板１４０の真上に第１のヘテロ構造１１０をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル層１５０の成長は、ＡｌＮ基板１４０の第２の表面１４２上でエピタキシャル成長する第１のヘテロ構造１１０の第１の表面１０１から進行する。第１のヘテロ構造１１０は、欠陥低減層、ひずみ管理層、および／または電流分布層を含む多層を備えてよい。次に、活性領域１２０を第１のヘテロ構造１１０の真上に実質的に成長させ、かつ、第２のヘテロ構造１３０を活性領域１２０の真上に成長させる。破線１６０で示すように、サブアセンブリ１００の形成後、バルクＡｌＮ基板１４０は実質的に除去される。
【００１２】
図２は、サブアセンブリからバルクＡｌＮ基板を除去する方法を示している。このサブアセンブリは、バルクＡｌＮ基板と、このバルクＡｌＮ基板上に１層以上のエピタキシャル成長層とを含む。たとえば、この１層以上のエピタキシャル層は、発光層を有する発光素子または発光層を含まないエピタキシャル層を含んでよい。
【００１３】
バルクＡｌＮ基板、たとえば、基板の窒素極性（Ｎ極）面は、高温、たとえば、湿潤エッチング処理においてリン酸の沸点におけるリン酸を含むエッチング液にさらされる（２２０）。本明細書に記載されているＬＥＤ構造において、たとえば、図１に概略的に示すように、バルクＡｌＮ基板の底面は、エッチング液にＮ極面を付与できる。約８５％以上または約８７％〜約９６％の濃度範囲および１６０℃〜２１０℃の温度範囲におけるリン酸は適切な時間内でバルク単結晶ＡｌＮを溶解することができる。いくつかの構成において使用されるリン酸は、たとえば、約１６０℃〜約１８０℃の温度範囲で８７％〜９２％の濃度範囲を有することができる。この溶解はまた、表面の初期加水分解後にＡｌ極面を付与するＡｌＮ基板をエッチングするために使用することもできる。
【００１４】
エッチング処理中、エッチング処理パラメータ、たとえば、リン酸の濃度および／または温度が監視され得（２２５）リン酸の濃度および／または温度が所定の濃度および／または温度範囲内に留まるように調整され得る。エッチング処理中、ＡｌＮ基板の厚さを監視することができる（２３０）。場合により、ＡｌＮ基板の厚さは移動位置において測定され、この厚さ測定は、エッチング処理からサブアセンブリを定期的に除去し、サブアセンブリの厚さおよび／または窒化アルミニウム基板の厚さを測定し、場合によっては測定後このサブアセンブリをエッチング処理へ戻す工程を含む。他のケースにおいて、以下に説明するように、サブアセンブリおよび／またはＡｌＮ基板の厚さは原位置で測定することができる。
【００１５】
エッチング処理は、サブアセンブリおよび／またはＡｌＮ基板の測定厚さに基づいて必要に応じて調整することができる（２４０）。エッチング処理は、エッチング速度を変化させ（エッチング速度を増減させ）、エッチング処理を開始し、および／または、基板が所定の状態に入った後、たとえば、基板がサブアセンブリから実質的に除去された後、または、基板が所定の厚さ、たとえば、約５０ｍｍに達した時、または基板がサブアセンブリの領域内で実質的に除去された時、エッチング処理を停止するように、調整することができる。エッチング速度はエッチング液の濃度および／または温度を変化させることによって調整することができる。たとえば、ＡｌＮの厚さが所定の厚さに近づく（または基板の実質的な除去に近づく）につれて、エッチング速度はチャンバに水を添加することによって遅延させてエッチング液の濃度を低下させることができる。これに代えてまたはこれに加えて、エッチング速度を遅延させるためにエッチング液の温度を下げてもよい。いくつかの実施において、エッチング処理を停止することは、手動または自動の除去技術のいずれかにより、エッチング液からサブアセンブリを除去して達成することが可能である。
【００１６】
サブアセンブリおよび／または窒化アルミニウム基板の厚さ測定は、機械的、電気的、化学的、および／または光学的技術を含む様々な処理によって達成可能である。たとえば、いくつかの構成において、ＡｌＮ基板の厚さ測定は電磁放射を使用する光学的技術によって達成可能である。これらの技術は、電磁放射をサブアセンブリへ方向付けるソースと、回折され、反射されおよび／またはサブアセンブリによって透過される電磁放射を検出するように構成されている検出器と、を必要とする。たとえば、サブアセンブリおよび／またはＡｌＮ基板の厚さは、Ｘ線回折、偏光解析法、および／または干渉分光法などの技術を用いて測定可能である。いくつかの構成において、計測ユニットは、エッチング処理中に原位置で厚さ測定されるように配置できる。他の構成において、厚さは、エッチング処理からサブアセンブリを除去し、測定し、このサブアセンブリをエッチング処理に戻すことによって移動位置で測定される。
【００１７】
いくつかの構成において、ＡｌＮ基板の厚さ測定は、サブアセンブリを透過する光を検出する工程を含む。このような測定に使用される光の波長範囲は、バルクＡｌＮ基板によって実質的に吸収され、少なくともある程度エピタキシャル層によって透過される範囲のものである。図３の流れ図によって示すように、最初にエッチング処理が開始された時（３２０）、ＡｌＮ基板は相対的に厚膜であり光に対して不透明である。（あれば）ＡｌＮ基板を透過した光はエッチング処理中に検出される（３３０）。ＡｌＮ基板がエッチングによって除去されると、このＡｌＮ基板は、基板を通過して光透過が可能となる位に薄膜化される。ＡｌＮ基板の透過光の量、エッチング処理において以前測定した基準量に比較した場合の光透過の変化および／またはＡｌＮ基板を通過する光透過の変化率が検出でき（３４０）かつこれらをエッチング処理を調整するために用いてよい（３５０）。
【００１８】
ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ材料（Ｘ＝０〜１）のエッチング速度は、アルミニウム含有量の関数として変化する。図４および図５のグラフは各々、エピタキシャル成長させたＡｌＧａＮ層のエッチング時間とエッチング速度を、アルミニウムのモル分率の関数として、示している。各試料について、エッチングされているＡｌＧａＮ層の厚さは、エッチング液化学槽から定期的に試料を取り出してＸ線スキャンを実行してＡｌＧａＮ層のＸ線信号強度を求めることにより監視された。図４は、９１％濃度と１８０℃の温度におけるリン酸（Ｈ３ＰＯ４）中でエッチングされた厚さ２．４μｍのエピタキシャルＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層のエッチング時間を示している。７４％または６７％のアルミニウムモル分率を有するＡｌＧａＮの層は５分以内で実質的に除去されたが、４７％のアルミニウムモル分率を有するＡｌＧａＮ層を除去するには３０分以上もかかった。
【００１９】
図５は、９１％濃度および１８０℃の温度におけるリン酸（Ｈ３ＰＯ４）中にエピタキシャル成長させたＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎのエッチング速度をアルミニウムモル分率の関数として示すグラフである。このグラフは、アルミニウムモル分率が高くなるにつれてエッチング速度も速くなることを示している。図６は、基板の除去前（６１０）と基板の除去後（６２０）の試料サブアセンブリのＸ線回折測定の一例である。以下に詳細に説明するように、相対的に高いモル分率のエピタキシャル成長させたＡｌＧａＮの層は、バルクＡｌＮ基板を除去するための中間層として使用することができる。
【００２０】
図７は、湿潤エッチングによりサブアセンブリからＡｌＮ基板を除去するために使用することができる装置を示す図である。この装置はエッチング液チャンバ７１０を含み、このチャンバはエッチング液を含有するとともにエッチングされているサブアセンブリを保持するように構成されている。この装置は必要に応じて計測ユニット７２０を含み、この計測ユニットはＡｌＮ基板の厚さおよび／またはＡｌＮ基板と１層以上のエピタキシャル層との両方を含むサブアセンブリの厚さとを示す信号を生成するように構成されている。この信号はエッチング処理中に計測ユニット７２０によって生成され一連の厚さ測定値を反映することが可能である。この信号はエッチング処理の１つ以上の側面を調整するためにコントロールユニット７３０によって使用され得る。
【００２１】
エッチング処理の調整は、エッチング処理のさまざまな側面を調整するように配置されたコントロールユニット７３０の１つ以上のサブユニットによって達成される。たとえば、サブユニット７３１、７３２、７３３は、エッチング液の温度、エッチング液の濃度、および／または試料の位置を調整することが可能である。サブアセンブリのエッチング速度は、これらの１つ以上および／または他のパラメータを変更することによって調整可能である。濃度調整サブユニット７３２は、チャンバ７１０へより多くの水分を添加することによって、またはチャンバ７１０内の水分を減少させることによって、例えば、沸騰時に蒸発する水分を補給しないことによって、エッチング液の濃度を維持したり変更したりするように構成することができる。温度調整サブユニット７３１は、エッチング液を加熱および／または冷却するヒータおよびクーラの１つまたは両方を含んでよい。エッチング液の冷却および／またはエッチング液の濃度低下はエッチング速度を遅らせる。エッチング液の温度の上昇および／または濃度の増加はエッチング速度をあるポイントまで上昇させる。しかしながら、エッチング速度はＡｌＮ基板表面の加水分解に依存することがあり得る。エッチング速度は、エッチング液の濃度が高くなりすぎ、エッチング液中の水量が表面の加水分解を発生させるには不十分な場合、抑制される。図８はバルクＡｌＮのエッチング速度を温度の関数として示す。理解されるように、エッチング速度は約８５％の濃度に対応する約１６０℃よりも高い温度に対しても横ばい（レベルオフ）であるように見える。この横ばいは、基板の表面を加水分解するには水分が不十分であることに起因し得る。
【００２２】
いくつかの構成において、温度および／または濃度調整サブユニット７３１、７３２はエッチング液の温度および／または濃度を所定の範囲内に保つように設定される。基板の除去は、エッチング溶液を監視する工程を含む。リン酸の温度が沸点に保たれる場合、沸騰時の水分の損失はＡｌＮの加水分解速度を減速させ、これによりエッチング速度を低下させる。リン酸の沸点は、酸の濃度に応じて変化する。たとえば、市販のリン酸は、約８５％の酸の濃度を有し約１５８℃で沸騰する。沸騰中に水分が損失されるにつれて、酸の濃度と沸騰点は上昇する。調整されたエッチング速度の場合、エッチング液の濃度および／または温度は、所定の範囲内、たとえば、約８７％〜約９６％の濃度範囲および１６０℃〜２１０℃の温度範囲に保つことが可能である。相対的に一定した酸の濃度を保つために、損失した水分は、例えば、還流冷却器または自動ドリップシステムのいずれかにより補給することができる。
【００２３】
計測ユニット７２０は、センサ／検出器からの信号を処理するように構成されている適切な処理回路７２１に結合された（図７においてセンサ／検出器７２２として示す）１つ以上のセンサまたは検出器を含む。エッチング処理中、センサ／検出器７２２は、ＡｌＮ基板および／またはサブアセンブリの厚さに関連するサブアセンブリおよび／またはエッチング液の特性における変化を検出する。前述したように、計測ユニット７２０は、厚さを示す信号を生成するために様々な技術を使用することができる。これらの技術は、エッチング処理中のＡｌＮ基板、サブアセンブリおよび／またはエッチング液の光学的、機械的、化学的、または電気的パラメータを感知する工程を含んでよい。一例として、サブアセンブリの厚さの機械的な測定は、プロフィルメータを使用して行われてもよい。この例の場合、プロフィルメータの探り針（プローブ）は計測ユニットのセンサである。サブアセンブリはエッチング処理中に数回測定される。図９はサブアセンブリのプロフィルメータの測定値の重畳したグラフを示す。厚さプロファイルＩはサブアセンブリのＡｌＮ基板がエッチングされる前の起動プロファイルである。この起動プロファイル（プロファイルＩ）を取得した後、第１の期間でサブアセンブリをエッチング槽に入れ、次に除去し厚さプロファイルを再測定した。プロファイルＡは、第１の期間においてエッチング後のアセンブリの厚さを表している。プロファイルＡを取得した後、第２の期間においてサブアセンブリをエッチングした。第２の期間を経た後、プロファイルＢに示すように、サブアセンブリの厚さを再測定した。連続するプロファイルＩ、Ａ、Ｂは第１および第２の期間を経た後のエッチング処理の進行状況を示している。
【００２４】
サブアセンブリの電気的特性は厚さを示す信号を生成するために使用される。たとえば、センサは、サブアセンブリの表面または部分に電気接触するように構成されている電気コンタクトを含んでよい。電気コンタクトは、１つ以上の電気的特性処理を実施するように構成されている回路に結合される。サブアセンブリの電気的特性は、抵抗／コンダクタンス測定値、静電容量測定値、電流−電圧特性、および／または他の特性の１つ以上を含んでよい。サブアセンブリの厚さの薄膜化は、サブアセンブリの電気的特性における検出可能な変化を生成する。
【００２５】
計測ユニットはサブアセンブリおよび／またはエッチング液における化学変化を検出するように構成されている化学センサとこれらに関連する回路とを含んでよい。化学センサは、サブアセンブリの上、および／または、エッチング液槽などのエッチングチャンバ内に配置することができる。場合により、化学センサとこれらに関連する回路は、エッチング槽中のイオン濃度を測定するように構成されている。この濃度は、エッチング液に溶解される状態になるＡｌＮの量の関数として、エッチング処理中に変化し得る。よって、化学センサによって検出されたイオン濃度は、ＡｌＮ基板の厚さを示す信号を生成するために使用可能である。いくつかの構成において、これは、エッチングされている表面にてイオン濃度に対する感度を高めるためにサブアセンブリの近傍、例えば、サブアセンブリの数ｍｍ以内に化学センサを配置するために有用であり得る。
【００２６】
計測ユニットは、基板の厚さを示す信号を生成するためにサブアセンブリを透過した光を使用することができる。これらの実施において、計測ユニットは、光をサブアセンブリへ方向付けるように配置された光源と、透過した光を検出するように配置された検出器と、を含んでよい。光源は、１つ以上のランプ、ＬＥＤ、および／またはＵＶ、可視光、赤外光、または広帯域光を放つレーザを含んでよい。サブアセンブリへ方向付けられた光は、ＡｌＮ基板に実質的に光学的に吸収されるがサブアセンブリのエピタキシャル層には実質的に吸収されない波長範囲を含む。たとえば、バルクＡｌＮ基板とＡｌＧａＮエピタキシャル層とを含むサブアセンブリに対して、計測ユニットは、光源、例えば、約２００ｎｍ〜約３６５ｎｍの波長範囲で発光するＬＥＤと同範囲で光を検出する検出器とを含んでよい。いくつかの構成において、光源は発光し得、検出器は約２５０ｎｍ〜約３００ｎｍの波長範囲の光を検出し得る。
【００２７】
場合により、光源はある波長範囲を有する光を出力するように構成され、検出器は波長範囲にわたってサブアセンブリのスペクトル応答を特徴づけるように構成されている。スペクトル応答における変化は、エッチング処理を調整するために使用可能である。
【００２８】
図１０は、厚さを示す信号を生成するために光を使用する装置１０００を示す図である。図１０の構成例において、バルクＡｌＮ基板１０１１とＡｌＮ基板１０１１上の１層以上のエピタキシャル層１０１２とを含むサブアセンブリ１０１０は、エッチング液チャンバ１０２０内に配置されている。熱素子１０３０、たとえば、ヒータおよび／またはクーラはエッチング処理中にエッチング液の温度を調整するためにチャンバ１０２０の中、その上、またはその周りに配置することができる。これに加えてまたはこれに代えて、装置１０００は、チャンバ内のエッチング液の濃度を調整するように構成されている構造（図示せず）を含んでよい。光源、たとえば、ＵＶＬＥＤ（紫外線発光ダイオード）は光がサブアセンブリへ向けて方向付けられるように配置される。図１０に示すように、光は光ファイバ１０５０を介してサブアセンブリ１０１１に向けて方向付けることが可能である。エッチング処理に先立って、光源１０４０からの光はバルクＡｌＮ基板１０１１により実質的に遮断されるが、エピタキシャル層１０１２により実質的に透過される。基板１０１１が薄膜化されるにつれて、光はサブアセンブリ１０１０を透過することが可能である。透過光１０７０は光検出器１０８０によって検出される。サブアセンブリ１０１０を透過した光１０７０に応答して、光検出器１０８０はＡｌＮ基板１０１１の厚さを示す出力信号１０９０を生成する。
【００２９】
エッチング処理中にＡｌＮ基板の厚さを検出するために光を使用する装置１１００の他の例を図１１に示す。装置１１００は、リン酸槽を含む石英タンク１１２０を備えるエッチング液チャンバを含む。ＡｌＮ基板とこの上に形成した１層以上のエピタキシャル層とを含むサブアセンブリ１１１０は試料ホルダ１１２１によりタンク１１２０内に位置決めされ保持される。装置１１００は、各々が真空に結合されている２つのポート１１２２、１１２３を含む。この例において、ポート１１２２、１１２３は閉端された真空石英管を含む。光源１１４０からの光は、第１のポート１１２２を介して第１の光ファイバ１１５０によって導かれ、第１のミラー１１２４によってサブアセンブリ１１１０に向けて方向付けられる。サブアセンブリ１１１０を透過した光は第２のポートから第２の光ファイバ１１５１を介して第２のミラー１１２５によって方向付けられる。光検出器１１８０はサブアセンブリ１１１０を透過した光を検出するように配置される。検出された光に応答して、光検出器１１８０は、ＡｌＮ基板の厚さを示す信号１１９０を生成する。
【００３０】
いくつかの実施において、サブアセンブリのエピタキシャル層はＬＥＤなどの発光素子を形成する。これらの実施において、発光素子はＡｌＮ基板の厚さを示す信号を生成する際に使用される光のための光源であってよい。図１２は、ＡｌＮ基板の厚さを測定するために使用される光１２７０を生成するためにサブアセンブリ１２１０のエピタキシャル層１２１２を使用する装置１２００を示す。装置１２００は、図１０に示した外部光源と光ファイバが図１２に示した実施では使用されていないことを除いて、いくつかの点で図１０の装置と同様である。サブアセンブリ１２１０はエッチング液チャンバ１２２０内に配置されるとともにＡｌＮ基板１２１１上にエピタキシャル成長させる層１２１２を含む。エピタキシャル層１２１２は発光素子を形成する。装置１２００は、発光素子１２１２と接触する電気コンタクト１２３２、１２３３と、これらの電気コンタクト１２３２、１２３３を電源１２４０に接続するリード１２３４、１２３５と、を含む。発光素子１２１２がリード１２３４、１２３５と電気コンタクト１２３２、１２３３を介して電源１２４０によって通電されると、発光素子１２１２は、基板が光１２７０を透過するために十分に薄膜化された時にＡｌＮ基板を透過する光１２７０を生成する。ＡｌＮ基板１２１１がエッチングされると、この基板１２１１は増量する光１２７０を透過し、この光量は光検出器１２８０によって検出される。光検出器１２８０は、ＡｌＮ基板の厚さを示す信号１２９０を生成する。
【００３１】
図１３は、たとえば、ＡｌＮ基板の厚さを示す光検出器によって生成される、理想的な信号の一例を示す。最初にＡｌＮ基板はこのＡｌＮ基板に向けて透過される光を実質的に光学的に吸収している。エッチング処理が最初に開始されると、ＡｌＮ基板に方向付けられた光の多くが基板によって吸収されてサブアセンブリから抜け出さない。この厚さ信号は、ＡｌＮ基板の厚さがＡｌＮ層を光が透過する位に薄膜化されるまで、公称値のままである。窒化アルミニウム基板が光を透過する位に薄膜化されると、厚さ信号はＡｌＮが基板からエッチングされればされるほど、一層増え始める。信号の変化はＡｌＮ基板の厚さがかなりの光量を透過する値に達した時、極めて速くなる。
【００３２】
場合により、計測ユニットにより生成された信号はエッチング処理を調整するために使用することができる。たとえば、コントロールユニットは急速な変化が検出されるポイントまで信号を監視してよい。その時点で、コントロールユニットはエッチング速度を変更させるように、たとえば、エッチング処理を遅延させたり停止させたりするように、動作してよい。計測ユニットにより生成された信号はエッチング処理を調整するために他の情報と組み合わせて使用される。たとえば、計測ユニットによって生成された信号に加えて、コントロールユニットは、エッチング処理期間、エッチング処理期間にわたるチャンバ内のエッチング液の濃度、および／またはエッチング処理期間にわたるエッチング液の温度などの要因を考慮に入れる。コントロールユニットは感熱ユニット、たとえば、ヒータやクーラの動作を調整し、および／またはエッチング処理の速度を変更するためにエッチング液の濃度を調整することができる。
【００３３】
様々なタイプの発光素子は本明細書中に記載されているバルクＡｌＮ基板を除去するための処理を用いて形成されてよい。バルクＡｌＮ基板の除去や薄膜化は、約２００ｎｍ〜約３６５ｎｍまたは約２５０ｎｍ〜約３２０ｎｍの波長範囲の光を放つ紫外線発光ダイオード（ＵＶＬＥＤ）と紫外線（ＵＶ）レーザダイオードに特に有用である。これらの発光素子の形成におけるバルクＡｌＮ基板の使用は、素子構造の低欠陥エピタキシャル層の成長を可能にするが、ＡｌＮ基板は素子の基板側に向けた活性領域から放たれた光を実質的に吸収する。したがって、基板の除去は素子の基板側（裏面）から増加した発光を可能にする。いくつかの素子において、基板から活性層の反対側にある発光素子の上層（すなわち、素子の正面側にある層）は、素子によって生成された光の波長で光学的に吸収している状態であり得る。したがって、これは、ＡｌＮ基板の除去によって実現可能となる素子によって生成された光が基板側を通過して放たれる場合に有用である。
【００３４】
図１４は、バルクＡｌＮ基板１４１０上に初期に成長させたＵＶＬＥＤ１４００を示す図である。エピタキシャル層の成長は、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）および／またはこれらの技術の任意の組み合わせにより、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、達成される。次に、バルクＡｌＮ基板１４１０は、矢印１４１１で示されるように、除去されるかまたは薄膜化することが可能である。場合により、ＡｌＮ基板１４１０は除去されてよい。場合により、ＡｌＮ基板１４１０は、たとえば、機械的な技術を用いて可能とされる厚さよりも薄く、約５０μｍ以下の厚さまで薄膜化されてよい。図１４に示したＵＶＬＥＤヘテロ構造１４００は、有機金属気相成長法により以下を含むように成長可能である：
ｎ側のＡｌｘＧａ１−ｘＮ遷移領域１４２０と、
ｎドープＡｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎのｎコンタクト層１４３０と、
ｎ側のＡｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎの分離した閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）１４４０と、
例えば、中心周波数λ＝２５０ｎｍで発光するように設計された、多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層１４５０と、
電子遮断層１４６０と、
ｐ側ＡｌＧａＮのＳＣＨ１４７０、ｐ型ドープＡｌＧａＮ遷移領域１４８０と、
ｐドープＧａＮコンタクト層１４９０。
【００３５】
ｎ側のＡｌｘＧａ１−ｘＮの遷移領域１４２０は、ＡｌＮ基板１４１０上に形成されたエピタキシャル成長の初期表面１４０５を含む。いくつかの構成において、ｎ側遷移領域１４２０は、約０．９０に等しいｘから約０．８０に等しいｘまでの範囲の平均Ａｌ（アルミニウム）組成を有する一連の短周期超格子である。いくつかの構成において、遷移領域１４２０は、ｘが約１００％から約７４％までの範囲の線形グレード合金であってよい。ｎコンタクト層１４３０は、ｎコンタクト１４３５のためのコンタクト層であり、たとえば、約１．９μｍ厚さであってよい。量子井戸（ＭＱＷ）発光層１４５０は３対の６ｎｍ厚さのＡｌ０．６８Ｇａ０．３２Ｎバリアと、２ｎｍ厚さのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎウェルを含むことができる。電子遮断層（ＥＢＬ）１４６０は、約８３％のアルミニウムと約２０ｎｍの厚さであってよい。ｐ−ＳＣＨ１４７０は約０．３から約０．７４までの範囲のアルミニウム組成ｘを有することができる。ｐ遷移層１４８０は超格子であるかまたは約０．３から約０．７４までの範囲ｘを有する合金であってよい。ｐコンタクト層１４９０は、ＧａＮを含みかつｐ型金属コンタクト１４９５のためのコンタクト層である。記載した構造は一例にすぎない。層数、層の組成、実際のヘテロ構造の設計、および／または成長手順は大きく異なる。具体的には、これらの層はＡｌＧａＮに代えてＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを形成するためにインジウムを含むことができる。
【００３６】
ＬＥＤをバルクＡｌＮ基板上に最初に成長させて、次にこの基板を除去するかまたは薄膜化する。この処理は、たとえば、約１０８ｃｍ−３または１０７ｃｍ−３などの約１０１０ｃｍ−３〜約１０３ｃｍ−３の範囲において相対的に低くなるようにＡｌＧａＮ遷移層のエピタキシャル成長の初期表面において欠陥密度を生成する。このように、素子はＡｌＮ基板に整合する実質的な格子によってもたらされる高品質のエピタキシャル成長を保持するが、この素子の基板側を通過する実質的な光透過を可能とすることもできる。
【００３７】
たとえば、バルクＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長させる約７０％〜８０％未満のＡｌモル分率を有するＡｌＧａＮのｎ遷移層は基板にぴったり格子整合すると思われる。この場合、ＡｌＧａＮのｎ遷移層は低欠陥密度を有するバルク結晶ＡｌＮの格子定数にぴったり整合するように不整合な状態である。ＡｌＮ基板が除去されると、ｎ遷移層の格子は緩むが、低欠陥密度は保持される。
【００３８】
図１５は、図１４のＬＥＤ１４００にいくつかの点で類似しているＬＥＤを示す。図１５において参照符号で識別される要素は、図１４におけるこれらの片われ（カウンターパート）に類似している。ＬＥＤ１５００は、このＬＥＤ１５００がエッチング前にＡｌＮ基板１４１０とＡｌＧａＮ遷移層１４２０との間で成長可能なエッチング低減層１５１０（エッチング停止層ともいう）を含む点で、図１４のＬＥＤ１４００とは異なる。この例において、エッチング低減層１５１０は初期のエピタキシャル表面１５０５を含む。エッチング低減層１５１０は、ＡｌＮ基板をエッチングするために使用されるエッチング液に不浸透性であるかまたはエッチング液中のエッチング低減層のエッチング速度は、ＡｌＮ１４１０のエッチング速度より低速であり得る。エッチング低減層１５１０は、相対的に薄層のＧａＮ層であるかまたは約７０％〜約８０％の範囲のアルミニウム含有量（Ａｌモル分率）を有するＡｌＧａＮ層であるかおよび／または、たとえば、エッチング低減能力を付与する他の適切な材料を含んでよい。
【００３９】
約５０μｍ未満の厚さを有する基板残部を残すための完全な除去または化学的なエッチングのいずれかによる基板の除去によってこの後の処理のために素子の裏面へのアクセスが可能となる。基板が除去された後は素子の裏面にある量の表面粗さやテクスチャリングが存在している。場合により、テクスチャリングは、この基板除去処理によって素子の裏面へ付与されてよい。この基板除去処理は、この基板除去処理中にこの素子の裏面のテクスチャリングを付与するように構成されてよい。化学エッチングから得られた表面粗さはエッチング槽温度、酸濃度、エッチング速度、および／またはウェハ裏面磨きなどの処理パラメータに依存する。適切な処理パラメータは、所望される表面粗さ特性を生成するために選択され得る。この場合、素子の裏面は、たとえば、イオンビームまたは化学処理によって、基板除去後にテクスチャリングすることができる。テクスチャリングは光抽出を向上させることができる。この場合、裏面のテクスチャリングを行わずに、実質的な発光量を全内部反射によってヘテロ構造に閉じ込めることができる。裏面のテクスチャリングは放たれた光を散乱させ、全内部反射を妨げ、かつ光抽出効率を向上させる。
【００４０】
表面テクスチャリングは様々な湿式または乾式の処理技術によってパターン化することができる。たとえば、表面は水素化カリウム（ＫＯＨ）溶液に浸漬することによりテクスチャリングすることができる。プラズマ処理技術は粗面処理するために使用することができる。たとえば、ＬＥＤ１４００、１５００の初期のエピタキシャル表面１４０５、１５０５はテクスチャリングされた表面であってよい。
【００４１】
裏面のテクスチャリングは放たれた光がより短い波長でＴＭ方向（平面に垂直な方向）において偏光状態が強くなるので、短波長のＵＶＬＥＤにおいて特に重要である。これによって、光の大部分は裏面へ向けてよりもむしろ、素子の端部へ向けて伝搬しながら発光される。基板が除去されて、特性は裏面へ向けてかつ裏面を通過して放たれた光を再方向付けするようにパターン化することができる。
【００４２】
基板の除去によって垂直方向の電気的注入ＬＥＤアーキテクチャも可能になる。図１６はこのような構造１６００を示す。このＬＥＤは初期エピタキシャル表面１６３１を含むｎ型のヘテロ構造１６３０を含む。ｎ型のヘテロ構造の初期のエピタキシャル表面からはじめて発光層１６２０とｐ型ヘテロ構造１６１０を連続的にエピタキシャル成長させて、ＬＥＤ１６００をバルク結晶ＡｌＮ基板（図１６に図示せず）上に成長させた。エピタキシャル層１６１０〜１６３０を形成した後、バルクＡｌＮ基板が除去された。
【００４３】
垂直方向注入ＬＥＤ１６００のｐコンタクト１６０５は、ヒートシンクチップ１６０１のパッド１６０２へ半田付け１６０３される。電極１６４０は、１つ以上のリード１６４１とｎコンタクト１６４２を介してヒートシンクチップ１６０１に電気的に結合される。素子の動作中、電流は、ｐコンタクト１６０５、ｐ側（ｐ型ヘテロ構造１６１０）、発光層１６２０、およびｎ側（ｎ型ヘテロ構造１６３０）を介して、外部電源（図示せず）から注入されるとともに素子１６００の裏面に形成された電極１６４０にて集合される。電気的絶縁性のＡｌＮ基板を除去することによって裏面コンタクト１６４０を形成するためのｎ型ヘテロ構造層１６３０へのアクセスが可能となる。
【００４４】
図１６に示した垂直方向注入構造１６００は、ｎ型ヘテロ構造１６３０を形成する材料、たとえば、ｎドープＡｌＧａＮが大きく抵抗性を示す場合、特に有利になり得る。この状況において、ＡｌＮ基板を除去しない場合、電流は、素子１６００のｐコンタクト１６０５と同じ側で、発光領域１６２０に並んだ領域において、集合される（たとえば、図１４と図１５のＬＥＤ１４００、１５００、１６００の構造を参照されたい）。より高い光出力パワーを得るために、発光層１６２０の面積は相対的に大きくなるように作られる。発光層の中心に注入される電流は、素子の周囲のｎコンタクトに達する前に抵抗性のあるｎドープ層内でより長い横方向の距離を移動する必要があると思われる。この横方向の距離に沿った電流経路は大きな電圧降下を生成しかつ不均一な電流注入を生じさせることができる。ＡｌＮ基板の除去は、コンタクトを素子の裏面に形成することを可能にし、これによりｐコンタクト１６０２と電流収集電極１６４０との間により直接的な電流経路とより低い電圧降下をもたらす。
【００４５】
レーザダイオード（ＬＤ）もまた、ＡｌＮ基板の除去や薄膜化を有利とすることができる。図１７は関連する光学モードプロファイル（破線で示す）とともに典型的なレーザーダイオード設計（実線で示す）のエネルギバリア図を示す。モードの中心周波数は、約２５０ｎｍの波長に対応する。この設計において、光学モードと量子井戸１７３０の間のオーバーラップは、Γ＝８．２６％で表される。ＬＤは、ｎコンタクト１７１０、ｎ‐ＳＣＨ１７２０、多重量子井戸１７３０、ｐ‐ＳＣＨ１７４０、およびｐコンタクト１７６０を含む。
【００４６】
ＡｌＮ基板上に作られた一般的なＵＶレーザダイオードにおいて、何らかの電界がＡｌＮ基板に浸透している場合、このＡｌＮ基板がレーザ処理波長において高く光吸収するので、実質的なモーダル損失が生じる。光吸収基板は、導波管材料の損失を助長し、これによりレーザ処理を達成するために必要とされる利得を増加させる。基板側のクラッド層は、活性領域内に光学モードをしっかりと閉じ込めるために十分に厚くする必要がある。しかしながら、厚膜のｎクラッド層は素子の抵抗性を助長する。ＡｌＮ基板を除去または薄膜化することは、モーダル損失を低減し、設計上のフレキシビリティを高める。ＡｌＮ基板の除去および／または薄膜化はまた、ＬＥＤのケースにおいて説明した利益に類似した利益を提供する垂直方向の注入ＬＤ構造を可能にする。
【００４７】
基板の除去および／または薄膜化は、裏面全体を横切ってというよりむしろ裏面のいくつかの部分においてのみ達成され得る。基板は化学エッチング液から保護することができ、選択領域における開口は、これらの領域のみをエッチングするためだけに形成される。たとえば、開口は発光層の真下の領域においてのみ形成され、これによりバルク基板の部分はエッチング処理後に残留し、これ以降の処理のために使用可能である。
【００４８】
いくつかの実施において、本明細書において「テンプレート／基板」と総称されるエピタキシャル成長させたＡｌＮまたはＡｌＧａＮテンプレートおよび／または基板は、スタンドアロン型コンポーネントとして製造することができる。これらのテンプレート／基板は、たとえば、ピースパーツとして売られ、その後、ＬＥＤやレーザーダイオードなどの光電子デバイスとヘテロ接合トランジスタや増幅器などの電子素子とを含む数多くの種類の素子を形成するために使用することができる。エピタキシャルテンプレートは、バルク結晶ＡｌＮ基板上にエピタキシャルＡｌＮまたはＡｌＧａＮを成長させ、次にこのＡｌＮ基板を除去または薄膜化することによって形成することができる。この技術は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、および／またはＩｎＡｌＧａＮなどの窒化物系材料の高品質で光学的に透明なエピタキシャル成長させたテンプレート／基板を生成することができ、これ以降の処理ステップにおけるエピタキシャル成長のためのベースとして使用することができる。エピタキシャルテンプレート／基板は、相対的に高い成長率、たとえば、時間あたり約１μｍ以上で成長させて約３０μｍ〜約４００μｍの層を生成することができる。エピタキシャル成長させたテンプレート／基板は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、および／または、これらの技術の任意の組み合わせにより、形成してよい。高品質で光学的に透明なテンプレート／基板は、前述した理由からＵＶオプトエレクトロニクスデバイスに有用であり得る。最も一般的な配向はｃ平面のＡｌＮであるが、ｍ平面、ａ平面などの他の結晶配向や半極性配向も、エピタキシャル成長の開始前にＡｌＮバルク基板を所望の配向において切断することによって得ることができる。
【００４９】
図１８および図１９は、スタンドアロン型のエピタキシャル成長させたテンプレート／基板を形成する処理（図１９）と、これにより得られる構造（図１８）と、を示す。たとえば、エピタキシャルＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、および／またはＩｎＡｌＧａＮを含むエピタキシャル層をバルク結晶ＡｌＮ基板上に成長させる（１９１０）。得られた構造１８１０を図１８に示す。バルクＡｌＮ基板は、本明細書において前述した処理によって除去または薄膜化されて（１９２０）、スタンドアロン型のエピタキシャルテンプレート／基板１８２０を残す。
【００５０】
いくつかの実施において、構造、たとえば、エピタキシャルテンプレート／基板、オプトエレクトロニクスデバイス、または他の構造またはヘテロ構造は、ＡｌＮ、シリコン、サファイア、またはＳｉＣ（炭化ケイ素）などの様々な基板上に成長させた中間層上に成長させることができる。これらは中間層をエッチングすることによって基板から分離させて、これにより基板から構造を分離させることができる。図２１は、中間層をエッチングすることによりその基板からスタンドアロン型のエピタキシャル成長させたヘテロ構造を形成する処理を示す。図２０は、この構造の初期と最後の状態を示す。中間層２０２０は基板２０１０上にエピタキシャル成長させる（２１１０）。構造２０３０を界面層２０２０に成長させる（２１２０）。界面層２０２０は横方向にエッチングされ（２１３０）、基板２０１０から構造２０３０を分離させる。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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