(57)【要約】水素拡散に起因する、ドープＧａＮ構造の望ましくない不動態化を最小にする、または除去するための水素障壁層を有する固体発光微小画素アレイ構造。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層半導体発光構造であって、
第１の組成を有する第１の層と、
第２の組成を有する第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層の間の少なくとも１つの多種多様な量子井戸活動領域と、
前記多層半導体発光構造から水素ガスを分離し、それにより、前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを防止する、または最小にするように選択されたバンドギャップおよび結晶性のうち少なくとも一方を有する、前記第１の層の上の少なくとも１つの水素障壁層と
を備える多層半導体発光構造。
【請求項２】
前記少なくとも１つの水素障壁層は、前記多層半導体発光構造のエピタキシャル成長中に堆積した最終層である、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの水素障壁層の選択された材料は、前記第１の組成および前記第２の組成とエピタキシャルに適合する材料である、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項４】
前記少なくとも１つの水素障壁層の前記選択された材料は、非ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡＩＮ）または両方の合金である、請求項３に記載の多層半導体発光構造。
【請求項５】
前記少なくとも１つの水素障壁の前記選択された材料は、前記少なくとも１つの水素障壁が前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを防止する、または最小にする効果的障壁を形成するために必要なバンド・ギャップ・エネルギーを有するように選択されたアルミニウム比を有する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）材料である、請求項３に記載の多層半導体発光構造。
【請求項６】
前記少なくとも１つの水素障壁層は、第１の水素障壁層、および前記第１の水素障壁層の上に第２の水素障壁層を備え、
前記第１の水素障壁層および前記第２の水素障壁層の各々は、前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを効果的に防止するように選択された対応するバンド・ギャップ・エネルギーを有する、
請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項７】
前記第１の水素障壁層の選択された材料は、非ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡＩＮ）または両方の合金を備え、
前記第２の水素障壁層の選択された材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を備える、
請求項６に記載の多層半導体発光構造。
【請求項８】
前記少なくとも１つの水素障壁層の厚さは、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍである、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項９】
スパッタリング、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、または原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して前記第２の水素障壁層を堆積させる、請求項６に記載の多層半導体発光構造。
【請求項１０】
緩衝層および基板
をさらに備え、
前記基板の上に前記緩衝層を堆積させ、前記緩衝層の上に前記第２の層を堆積させる、
請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項１１】
発光微小画素アレイ構造であって、
複数の多層半導体発光構造であって、各前記多層半導体発光構造は、
第１の組成を有する第１の層、
第２の組成を有する第２の層、
前記第１の層と前記第２の層の間の少なくとも１つの多種多様な量子井戸活動領域、ならびに
前記多層半導体発光構造から水素を分離するための、前記第１の層の上の第１の水素障壁層
を備える複数の多層半導体発光構造と、
各前記多層半導体発光構造の上の第２の水素障壁層、および前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを防止する、または最小にするための、前記多層半導体発光構造の当接する側壁と
を備える発光微小画素アレイ構造。
【請求項１２】
前記第１の水素障壁層は、前記多層半導体発光構造のエピタキシャル成長中に堆積した最終層である、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項１３】
前記第１の水素障壁層の選択された材料は、前記第１の組成および前記第２の組成とエピタキシャルに適合する材料である、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項１４】
前記第１の水素障壁層の前記選択された材料は、非ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡＩＮ）または両方の合金を備える、請求項１３に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項１５】
前記第１の水素障壁層の前記選択された材料は、前記第１の水素障壁層が、前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを防止する、または最小にする効果的障壁を形成するために必要なバンド・ギャップ・エネルギーを有するように選択されたアルミニウム比を有する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）材料である、請求項１３に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項１６】
前記第１の水素障壁層および前記第２の水素障壁層の各々は、前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを効果的に防止するように選択された対応するバンド・ギャップ・エネルギーを有する、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項１７】
前記第１の水素障壁層の選択された材料は、非ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡＩＮ）または両方の合金を備え、
前記第２の水素障壁層の選択された材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を備える、
請求項１６に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項１８】
前記第１の水素障壁層および前記第２の水素障壁層の各々の厚さは、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍである、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項１９】
緩衝層および基板
をさらに備え、
前記基板の上に前記緩衝層を堆積させ、前記緩衝層の上に前記多層半導体発光構造を堆積させる、
請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２０】
各側壁の間隔幅は、前記多層半導体発光構造の幅の何分の１かである、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２１】
半導体誘電体材料を用いて前記側壁の表面を不動態化して、前記側壁を通して結合した電気制御信号から前記多層半導体発光構造を電気的に分離する、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２２】
前記第２の水素障壁層は、各前記多層半導体発光構造の前記側壁のための不動態化層である、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２３】
前記第２の水素障壁層は、高誘電率材料または通常の不動態化誘電体材料からなる、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２４】
前記高誘電率材料は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムであり、前記通常の不動態化材料は、酸化ケイ素または窒化ケイ素である、請求項２３に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２５】
前記第２の水素障壁層を堆積させる前に、前記多層半導体発光構造の上に金属接点を選択的に堆積させて、前記多層半導体発光構造から放出光が出現するための、遮るものがない微小画素開口部位を提供する、請求項１１に際の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２６】
前記第２の水素障壁層を選択的にエッチングして、前記金属接点を露出させ、前記金属接点に接続するために使用する金属接点ビアを堆積させる、または前記金属接点ビアにアクセスする、請求項２５に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２７】
前記第２の水素障壁層の上の中間層誘電体層と、
前記中間層誘電体層の上の複数の導電グリッド層と
をさらに備える、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２８】
中間接合層と、
キャリア基板と
をさらに備え、
前記中間接合層を使用して、前記キャリア基板に前記多層半導体発光構造、前記第２の水素障壁層、前記中間層誘電体層、および前記導電グリッド層を接合する、
請求項２７に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項２９】
前記第２の水素障壁層と協力して第３の水素障壁層が前記多層半導体発光構造を完全にカプセル化するように、各前記多層半導体発光構造の裏側の上に前記第３の水素障壁層をさらに備える、請求項１１に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項３０】
前記第３の水素障壁層を堆積させる前に、前記多層半導体発光構造の裏側の上に金属接点を選択的に堆積させる、請求項２９に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項３１】
前記第３の水素障壁層を選択的にエッチングして、前記金属接点を露出させ、前記多層半導体発光構造の前記裏側の上に、電気的にアクセス可能な金属接点ビアを堆積させる、請求項３０に記載の発光微小画素アレイ構造。
【請求項３２】
装置であって、
請求項１１に記載の第１の発光微小画素アレイ構造と、
請求項１１に記載の第２の発光微小画素アレイ構造と
を備え、
前記第１の発光微小画素アレイ構造および前記第２の発光微小画素アレイ構造を順次一緒に接合し、
前記第１の発光微小画素アレイ構造および前記第２の発光微小画素アレイ構造は、異なる色の光を放出する装置。
【請求項３３】
装置であって、
請求項１１に記載の第１の発光微小画素アレイ構造と、
請求項１１に記載の第２の発光微小画素アレイ構造と
を備え、
色および強度の光変調を制御するデジタルＣＭＯＳコントローラに前記第１の発光微小画素アレイ構造および前記第２の発光微小画素アレイ構造を接合する装置。
【請求項３４】
多層半導体発光構造であって、
第１の組成を有する第１の領域と、
第２の組成を有する第２の領域と、
前記第１の領域と前記第２の領域の間の少なくとも１つの多種多様な量子井戸活動領域と、
前記第１の領域の上の少なくとも１つの水素障壁層と、
前記第１の領域の中に伸長する側壁画素接点キャップと、
接点金属レールに前記側壁画素接点キャップを電気的に結合する複数の接点ビアと
を備え、
前記第１の領域は、（ｉ）前記少なくとも１つの水素障壁層により、または（ｉｉ）前記側壁画素接点キャップおよび前記接点ビアにより完全に覆い隠され、またはカプセル化され、それにより、前記多層半導体発光構造の前記第１の領域の中に水素が浸透するのを防止する、または最小にする多層半導体発光構造。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの水素障壁は、非ドープＧａＮキャッピング障壁層である、請求項３４に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの水素障壁は、ＩＩＩ族窒化物材料からなる、請求項３４に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３７】
前記多層半導体発光構造の最上部側の隅の周囲に巻き付いて、前記接点ビアのための基部を作成する金属リング
をさらに備え、
それにより、前記多層半導体発光構造の前記最上部側は、前記第１の領域の側壁に沿って広い接触面積を達成しながら最大光出力を達成するために、前記接点ビアにより遮られていない光学的に透明な開口部位を備える、
請求項３４に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３８】
前記第１の領域のドーピングは、前記少なくとも１つの多種多様な量子井戸活動領域に近接する非ドープＧａＮ部分から、ｐ+型ＧａＮまで、ｐ++型ＧａＮまで、ｐ+型ＧａＮまで、ｐ型ＧａＮまで、および前記第１の領域の前記最上部側の上の非ドープＧａＮ部分まで、連続的に、または段階状に累進化され、
それにより、前記第１の領域の前記累進化ドーピングは、前記第１の領域の中に水素が拡散するのを効果的に妨害する、
請求項３４に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３９】
前記側壁画素接点キャップは、少なくとも２つの金属層と、前記側壁画素接点キャップと前記第１の領域の間でオーム接点を達成するように選択された厚さとを備える、請求項３４に記載の多層半導体発光構造。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの水素障壁の厚さは、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍである、請求項３４に記載の多層半導体発光構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、開示が参照により本明細書に組み入れられる、２０１８年６月１２日に提出された米国仮特許出願第６２／６８４，１０６号明細書の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に発光素子および発光構造に関する。より詳細には、本発明は、素子性能を改善するための１つまたは複数の水素障壁層を備えるＩＩＩ−Ｖ族半導体発光素子および発光構造に関する。
【０００３】
本発明は、一般にＬＥＤ、微小ＬＥＤなどのＩＩＩ族窒化物系素子の分野に適用可能であり、詳細にはＣＭＯＳ集積微小ＬＥＤアレイ発光素子に適用可能である。一実施形態では、発光素子内でドープＧａＮ材料の中に水素が拡散するのを最小にする、または除去する素子および製作方法について開示する。半導体発光構造で水素暴露経路を除去または低減することにより、有益にはドープＧａＮ材料自体を安定化可能になる。本発明で水素暴露を低減することにより、当技術分野で素子性能および素子動作を改善可能になる。
【背景技術】
【０００４】
３次元（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ、３Ｄ）半導体集積により、半導体集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ、ＩＣ）の性能改善が可能になり、異なる材料層の異質な集積を介してＳｉ系ＩＣプラットフォームの機能性を増大させることが可能になる（Ｇ．  Ｑ．  Ｚｈａｎｇ  ＆  Ａ．  Ｊ．  ｖａｎ  Ｒｏｏｓｍａｌｅｎ、「Ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ  Ｍｏｏｒｅ：Ｃｒｅａｔｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｖａｌｕｅ  Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ムーアを越えて、高価値微小／ナノエレクトロニクスシステムを作成する）」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒを参照のこと）。そのような素子の限定しない例は、「量子フォトニック撮像装置（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｉｍａｇｅｒ、ＱＰＩ（登録商標））」表示装置と呼ばれるＣＭＯＳ／ＩＩＩ−Ｖ族集積３Ｄ微小ＬＥＤアレイ発光素子である（米国特許第７，６２３，５６０号明細書、米国特許第７，７６７，４７９号明細書、米国特許第７，８２９，９０２号明細書、米国特許第８，０４９，２３１号明細書、米国特許第８，２４３，７７０号明細書、および米国特許第８，５６７，９６０号明細書を参照のこと）。ＱＰＩ（登録商標）は、本出願の出願人であるＯｓｔｅｎｄｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．の登録商標である。
【０００５】
このクラスの発光微小スケール画素（すなわち、微小画素）アレイ撮像装置素子は、たとえば、各々の内容が参照により本明細書に完全に組み入れられる、米国特許第７，６２３，５６０号明細書、米国特許第７，７６７，４７９号明細書、米国特許第７，８２９，９０２号明細書、米国特許第８，０４９，２３１号明細書、米国特許第８，２３４，７７０号明細書、米国特許第８，５６７，９６０号明細書、および米国特許第８，０９８，２６５号明細書で開示されている。
【０００６】
開示されたＱＰＩ表示素子は、望ましくは、必要とされる画像処理制御回路すべてを含む非常に小さな素子構成で高輝度、非常に高速な多色光強度、および空間変調能力を特徴とする。これらの開示された素子の個体発光（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｌｉｇｈｔ（ＳＳＬ）  ｅｍｉｔｔｉｎｇ）画素は、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）または両方であってよく、これらは、ＱＰＩ表示撮像装置の発光微小スケール画素アレイが接合され、かつ電気的に結合されるＣＭＯＳコントローラチップ（または素子）内部に包含される制御回路によりオン−オフ状態を管理される。
【０００７】
ＱＰＩ表示装置を備える画素のサイズは、ほぼ５ミクロン〜２０ミクロンの範囲であってよく、典型的なチップレベルの発光表面積は、ほぼ１５ｍｍ2〜１５０ｍｍ2の範囲である。上記の発光微小スケール画素アレイ表示素子の画素は、そのＣＭＯＳコントローラチップの駆動回路を通して空間的に、色彩的に、かつ時間的に、個々にアドレス指定可能である。そのようなＱＰＩ撮像装置素子が発生させる光の輝度は、かなり低い電力消費で何１００，０００ｃｄ／ｍ2にも達する可能性がある。
【０００８】
ＱＰＩ表示装置などの素子では、さまざまな材料を堆積させて製作する間に水素暴露が繰り返し行われ、熱サイクル中に素子内で水素含有誘電体から水素が解放される（すなわち、脱着する）ことにより、ＧａＮ系発光素子の著しい劣化を引き起こす可能性がある。素子製作中に水素および熱への暴露による最も広く知られた不利益な結果の中には、発光構造自体の中でドープＧａＮ材料が意図せず不動態化することがある。それに加えて、水素に起因してｐ型接点およびＧａＮ界面層に悪い影響を及ぼすことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国仮特許出願第６２／６８４，１０６号明細書
【特許文献２】米国特許第７，６２３，５６０号明細書
【特許文献３】米国特許第７，７６７，４７９号明細書
【特許文献４】米国特許第７，８２９，９０２号明細書
【特許文献５】米国特許第８，０４９，２３１号明細書
【特許文献６】米国特許第８，２４３，７７０号明細書
【特許文献７】米国特許第８，５６７，９６０号明細書
【特許文献８】米国特許第８，０９８，２６５号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｇ．  Ｑ．  Ｚｈａｎｇ  ＆  Ａ．  Ｊ．  ｖａｎ  Ｒｏｏｓｍａｌｅｎ、「Ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ  Ｍｏｏｒｅ：Ｃｒｅａｔｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｖａｌｕｅ  Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ムーアを越えて、高価値微小／ナノエレクトロニクスシステムを作成する）」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ
【非特許文献２】Ｊ．  Ｋ．  Ｓｈｅｕ  ＆  Ｇ．  Ｃ．  Ｃｈｉ、「Ｔｈｅ  ｄｏｐｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ｄｏｐａｎｔ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ＧａＮ（ＧａＮのドーピング処理およびドーパント特性）」、Ｊ．  Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ、  Ｍａｔｔｅｒ  １４（２００２年）  Ｒ６５７〜Ｒ７０２
【非特許文献３】Ｓ．  Ｊ．  Ｐｅａｒｔｏｎ、Ｒ．  Ｊ．  Ｓｈｕｌ、Ｒ．  Ｇ．  Ｗｉｌｓｏｎ、Ｆ．  Ｒｅｎ、Ｊ．  Ｍ．  Ｚａｖａｄａ、Ｃ．  Ｒ．  Ａｂｅｒｎａｔｈｙ、Ｃ．  Ｂ．  Ｖａｒｔｕｌｉ、Ｊ．  Ｗ．  Ｌｅｅ、Ｊ．  Ｒ．  Ｍｉｌｅｈａｍ  ＆  Ｊ．  Ｄ．  Ｍａｃｈｅｎｚｉｅ、「Ｔｈｅ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｉｎｔｏ  ＩＩＩ−Ｖ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ  ｄｕｒｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（処理中のＩＩＩ−Ｖ族窒化物の中への水素取込）」、Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｍａｔｅｒ．、２５、８４５（１９９６年）
【非特許文献４】Ｔ．  Ｒ．  Ｊｅｎｓｅｎ、Ａ．  Ａｎｄｒｅａｓｅｎ、Ｔ．  Ｖｅｇｇｅ、Ｊ．  Ｗ．  Ａｎｄｒｅａｓｅｎ、Ｋ．  Ｓｔａｈｌ、Ａ．  Ｓ．  Ｐｅｄｅｒｓｅｎ、Ｍ．  Ｍ．  Ｎｉｅｌｓｅｎ、Ａ．  Ｍ．  Ｍｏｌｅｎｂｒｏｅｋ  ＆  Ｆ．  Ｂｅｓｅｎｂａｃｈｅｒ、「Ｄｅｈｙｄｒｇｅｎａｔｉｏｎ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ｏｆ  ｐｕｒｅ  ａｎｄ  Ｎｉ−ｄｏｐｅｄ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｈｙｄｒｉｄｅ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ  ｂｙ  ｉｎ  ｓｉｔｕ  ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｐｏｗｄｅｒ  Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（インサイチュ時間分解粉末Ｘ線回折により詳細に調べた純粋な水素化マグネシウムまたはＮｉドープ水素化マグネシウムの脱水素動力学）」、Ｉｎｔ．  Ｊ．  Ｈｙｄｒｏｇ．  Ｅｎｅｒｇｙ  ３１（１４）、２０５２−２０６２（２００６年）
【非特許文献５】Ｗ．  Ｍｕｎｃｈ、Ｇ．  Ｓｅｉｆｅｒｔ、Ｋ．  Ｋｒｅｕｅｒ  ＆  Ｊ．  Ｍａｉｅｒ、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｏｎｉｃｓ、８８、６４７−６５２（１９９６年）
【非特許文献６】Ｋ．  Ｅｄｅｒ、Ｄ．  Ｓｅｍｒａｄ、Ｐ．  Ｂａｕｅｒ、Ｒ．  Ｇｏｌｓｅｒ、Ｐ．  Ｍａｉｅｒ−Ｋｏｍｏｒ、Ｆ．  Ａｕｍａｙｒ、Ｍ．  Ｐｅｎａｌｂａ、Ａ．  Ａｒｎａｕ、Ｊ．  Ｍ．  Ｕｇａｌｄｅ、＆  Ｐ．  Ｍ．  Ｅｃｈｅｎｉｑｕｅ，「Ａｂｓｅｎｃｅ  ｏｆ  ａ  『Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ』  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  ｏｆ  Ｓｌｏｗ  Ｐｒｏｔｏｎｓ  Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  Ｌａｒｇｅ−Ｂａｎｄ−Ｇａｐ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ（大きなバンドギャップの絶縁体を移動する遅い陽子のエネルギー損失での「しきい値効果」の欠如）」、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ７９（２１）、４１１２−４１１５、１９９７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
必要なものは、堆積処理中または熱サイクル中または両方の間に、下にあるＧａＮの水素暴露（水素含有誘電体および処理に由来する解放水素に起因する）を軽減または除去する、処理を使用して製作された構造を包含する素子である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書では、同様の参照符号が同様の要素または類似の要素を示す添付図面の図の形で、限定としてではなく例として実施形態を例示する。
【００１３】
代表的実施形態の理解を手助けするために、詳細な構造および要素などの、本明細書で定義する事柄を提供する。しかしながら、本発明は、それらの具体的に定義した事柄なしに実施することができる。また、周知の機能または構造については、不必要な詳細で本発明を不明瞭にするので、詳細には記述していない。本発明を理解して、本発明を実際にどのようにして実行してよいかを確認するために、添付図面を参照して、限定しない例だけによって少しの実施形態について記述する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】水素障壁層、ＧａＮダイオード構造、緩衝層、およびエピタキシャル成長基板を示す、本発明の微小画素アレイの固体発光材料構造の横断面を例示する。
【図２】微小画素メサ（ｍｅｓａ）の最上部側および側壁の上に水素障壁層を伴う、図１の固体発光構造を備える１組の微小画素メサの横断面を例示する。
【図３】図２の１組のさらに処理された微小画素メサの横断面を例示する。
【図４】図３の完全にカプセル化された微小画素アレイ多層構造の横断面図である。
【図５】成長したままの水素障壁層を利用する他の設計要素を伴う、成長したままの水素障壁層を備えるＧａＮ系発光微小画素構造を例示する。
【図６】微小画素エピ構造のさらに詳細な特徴を示す、図５のＧａＮ系発光微小画素構造の横断面を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の以下の詳細な記述で「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「ある実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に言及することは、その実施形態に関連して記述する特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。この詳細な記述のさまざまな場所で「一実施形態では」という語句が出現することは、同じ実施形態についてすべて言及しているわけでは必ずしもない。
【００１６】
ＧａＮ材料でのｐ型ドーピングは、最も一般的には、最も効果的なドーパントの中の１つであると考えられているＭｇドーパント原子を使用して達成される（Ｊ．  Ｋ．  Ｓｈｅｕ  ＆  Ｇ．  Ｃ．  Ｃｈｉ、「Ｔｈｅ  ｄｏｐｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ｄｏｐａｎｔ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ＧａＮ（ＧａＮのドーピング処理およびドーパント特性）」、Ｊ．  Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ、  Ｍａｔｔｅｒ  １４（２００２年）  Ｒ６５７〜Ｒ７０２を参照のこと）。典型的には、ＭＯＣＶＤ成長したＧａＮ系ＬＥＤ素子および構造でのＭｇドーパントは、エピタキシャル成長処理中に水素により不動態化する。ＭＯＣＶＤ成長した構造はその後、効果的素子動作のためにＭｇドーパントを活動化するために、成長後の高温アニールを必要とする。
【００１７】
悪影響を及ぼす、ダイオード構造のＧａＮ材料による水素暴露は、たとえば微小画素アレイ発光素子などの多層発光半導体素子の製作中に多種多様なステップで発生する可能性がある。反応器自体での成長／成長後の段階中に取り込まれた水素は、水素暴露の主要な原因となるが、水素暴露の追加の原因は、その後の素子製作ステップ中にＧａＮ系材料または素子が暴露した水素である。たとえば、著しい素子水素暴露をもたらす一般的半導体処理ステップは、半導体製造で使用する誘電体の「プラズマ化学蒸着（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＥＣＶＤ）」として知られる周知の処理である。さまざまな他の一般的半導体処理ステップもまた、一般にＩＩＩ−Ｖ族窒化物での水素取込につながる（Ｓ．  Ｊ．  Ｐｅａｒｔｏｎ、Ｒ．  Ｊ．  Ｓｈｕｌ、Ｒ．  Ｇ．  Ｗｉｌｓｏｎ、Ｆ．  Ｒｅｎ、Ｊ．  Ｍ．  Ｚａｖａｄａ、Ｃ．  Ｒ．  Ａｂｅｒｎａｔｈｙ、Ｃ．  Ｂ．  Ｖａｒｔｕｌｉ、Ｊ．  Ｗ．  Ｌｅｅ、Ｊ．  Ｒ．  Ｍｉｌｅｈａｍ  ＆  Ｊ．  Ｄ．  Ｍａｃｈｅｎｚｉｅ、「Ｔｈｅ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｉｎｔｏ  ＩＩＩ−Ｖ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ  ｄｕｒｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（処理中のＩＩＩ−Ｖ族窒化物の中への水素取込）」、Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｍａｔｅｒ．、２５、８４５（１９９６年）を参照のこと）。
【００１８】
ＱＰＩ表示素子または他の微小ＬＥＤ素子などのＧａＮ系微小画素アレイ発光素子の製作は、多くの場合、エッチングされた画素側壁上の酸化ケイ素（「ＳｉＯ2」）不動態化層または発光ダイオード構造内部の電気的絶縁層などの誘電体層の堆積を必要とする。酸化ケイ素はまた、複数の半導体発光層を備える多層半導体素子内の中間接合層として使用されてよい。
【００１９】
典型的にはプラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を使用して遂行される、そのような酸化ケイ素層の堆積中に、望ましくないことには、過剰な水素および／または水酸（ＯＨ）基が含まれることが避けられない。その後に堆積する酸化ケイ素層の典型的堆積温度では、先行して堆積した酸化ケイ素層から解離するようになった水素は拡散し、ダイオード構造内部でＧａＮドーピングの、詳細にはｐ型ドーピングの望ましくない不動態化を引き起こす。これにより次に、ＧａＮ系微小画素ダイオードの効率が低下する結果となる。これは、光放出微小画素ダイオード構造のＧａＮ層に極めて近接している酸化ケイ素層を用いる場合、なお一層問題となる。
【００２０】
固体発光ダイオード材料構造の典型的製作では、水素は、たとえば有機金属化学蒸着法（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）を使用してＧａＮ材料のエピタキシャル成長用キャリアガスとして使用される。水素キャリアガス流は、ＧａＮ系材料のエピタキシャル成長処理の全体を通してチャンバ内に残るので、多くの場合ＧａＮ構造の層内に高濃度の水素が存在する。このＧａＮ系材料をＧａＮ系固体発光ダイオード構造の製作で使用するとき、その後の処理ステップに関連して高まった処理温度は、ダイオード構造材料のドープ領域の中にＭＯＣＶＤ残存水素が拡散することにつながり、ＧａＮ材料自体内でドーパントの不動態化を劇的に引き起こす。これは、次にダイオード構造を備えるＧａＮ材料の効率（ＩＱＥ、内部量子効率）を低下させ、構造のｐ型ドープ領域に特に有害である。
【００２１】
これらの懸念、およびＧａＮ系発光構造に関係がある、従来技術での他の不完全性に対処するために、本発明の一様態では、発光層の少なくとも１つが水素障壁層を備える１つまたは複数の積層発光層を備える多層ＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物発光微小画素アレイ素子について開示する。
【００２２】
以下の開示は、ＧａＮ系固体発光ダイオード構造および素子の製作処理中に水素拡散の有害な影響を除去する、または著しく小さくする、本発明の方法および構造の限定しない実施形態について記述する。方法は、ＧａＮ材料のエピタキシャル成長中の、１つまたは複数の水素障壁層の選択成長、および／またはＧａＮ系固体発光ダイオード構造の製作処理中の、追加水素障壁層の堆積を含む。
【００２３】
図１は、水素障壁層１０００／１００１、ＧａＮダイオード構造、緩衝層、およびエピタキシャル成長基板を示す、微小画素アレイの固体発光材料構造の横断面を例示する。図１に例示するように、ＧａＮ系ダイオード構造は、ｐ型ＧａＮ層１０１０、１つまたは複数の多種多様な量子井戸活動領域１０２０，およびｎ型ＧａＮ層１０３０から構成されてよく、これらすべては、ＧａＮ緩衝層１０４０およびエピタキシャル成長基板１０５０の上に堆積させられる。図１に例示する素子では、障壁層（１０００／１００１）は、エピ構造製作中に成長させられる、または素子製作中に堆積させられ、図１のＧａＮ系ダイオード構造の全面にわたって「キャッピング層」の役割を果たす。
【００２４】
一実施形態では、水素障壁層１０００は、発光構造１のエピタキシャル成長中に堆積した最終層であってよい。この方法を用いると、過剰な水素キャリアガスは、過剰な水素がＧａＮ系ダイオード構造の中に拡散するのを低減するように設計された堆積障壁層１０００によりＧａＮ系ダイオード構造から分離される。ある代替実施形態では、微小画素メサのアレイの製作処理中に障壁層１００１を堆積させてよい。別の実施形態では、これらの実施形態の製作方法についての以下の記述で説明するように、エピタキシャル成長水素障壁層１０００と処理で堆積した障壁層１００１の両方を使用して、他の利点を実現する。
【００２５】
障壁層１０００をエピタキシャル成長させる実施形態では、水素障壁層１０００の選択された材料は、好ましくは、ダイオード構造のＧａＮ材料とエピタキシャルに適合する材料であり、好ましくは、ダイオード構造１の中に水素が拡散するのを防止する、または最小にするバンドギャップおよび結晶特性を示す。適切な水素障壁１０００材料は、非ドープＧａＮまたは窒化アルミニウム（ＡＩＮ）またはこれら２つの材料の合金を備えてよい。ＡＩＮは、ＧａＮを伴うＩＩＩ族窒化物材料グループのメンバーであり、したがって、ダイオード構造のＧａＮ材料とエピタキシャルに適合する。窒化アルミニウムは、ＧａＮ（３．４ｅＶ）よりも広いバンド・ギャップ・エネルギー（６．２ｅＶ）を有する。一般に、エピタキシャル成長層１０００の結晶性が非常に高い様態は、ＧａＮ、ＡＩＮ、または２つの材料の合金であれ、これらの水素拡散特性を強化するのに役立つ。
【００２６】
水素障壁層１０００の他の適切な材料は、下にあるＧａＮ材料に水素が拡散するのを妨害するために効果的障壁を形成するのに必要な、必須の障壁層１０００バンド・ギャップ・エネルギーを確実にするようにアルミニウム（x）比を選択した窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）材料である。
【００２７】
水素障壁１０００のために（ＡｌxＧａ1-xＮ）を使用する利点は、障壁層１０００のＡｌＧａＮ材料組成の中でアルミニウム（x）比を適切に選択することによって、ＧａＮダイオード層と障壁層１０００の間の格子歪みを均衡させるのを支援することである。障壁層１０００としてＡｌＧａＮを使用する他の利点は、この場合も障壁層１０００のＡｌＧａＮ材料組成の中でアルミニウム（x）比を適切に選択することによって、下にあるＧａＮ材料の上にｐ型接点およびｎ型接点を堆積させるために、またはすでに堆積したｐ型接点およびｎ型接点にアクセスするために、引き続き障壁層１０００を選択的にエッチングする容易さを促進することである。
【００２８】
障壁層１００１を処理で堆積させる実施形態では、水素障壁層１００１の選択された材料は、好ましくは、ダイオード構造１の中に水素が拡散するのを防止する、または最小にする特性を示す材料である。この実施形態では、水素障壁層１００１は、スパッタリング（物理蒸着法）、ＰＥＣＶＤ、または原子層堆積（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）の技法を使用して堆積させてよい酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）であってよい。Ａｌ2Ｏ3系障壁層（１００１）のより広いバンド・ギャップ・エネルギーは、ＧａＮダイオード構造までに至る水素拡散を妨害するように効果的に作用する。堆積した水素障壁層１００１のための別の適切な材料は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。酸化マグネシウム表層は、水素拡散を遅らせることが知られている（Ｔ．  Ｒ．  Ｊｅｎｓｅｎ、Ａ．  Ａｎｄｒｅａｓｅｎ、Ｔ．  Ｖｅｇｇｅ、Ｊ．  Ｗ．  Ａｎｄｒｅａｓｅｎ、Ｋ．  Ｓｔａｈｌ、Ａ．  Ｓ．  Ｐｅｄｅｒｓｅｎ、Ｍ．  Ｍ．  Ｎｉｅｌｓｅｎ、Ａ．  Ｍ．  Ｍｏｌｅｎｂｒｏｅｋ  ＆  Ｆ．  Ｂｅｓｅｎｂａｃｈｅｒ、「Ｄｅｈｙｄｒｇｅｎａｔｉｏｎ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ｏｆ  ｐｕｒｅ  ａｎｄ  Ｎｉ−ｄｏｐｅｄ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｈｙｄｒｉｄｅ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ  ｂｙ  ｉｎ  ｓｉｔｕ  ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｐｏｗｄｅｒ  Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（インサイチュ時間分解粉末Ｘ線回折により詳細に調べた純粋な水素化マグネシウムまたはＮｉドープ水素化マグネシウムの脱水素動力学）」、Ｉｎｔ．  Ｊ．  Ｈｙｄｒｏｇ．  Ｅｎｅｒｇｙ  ３１（１４）、２０５２−２０６２（２００６年）を参照のこと）。酸化物の水素障壁の性質を与える別の要因は、酸化物中での陽子拡散に関する活性化エンタルピーを増大させることが知られている、酸素と水素の間の強力な結合である（Ｗ．  Ｍｕｎｃｈ、Ｇ．  Ｓｅｉｆｅｒｔ、Ｋ．  Ｋｒｅｕｅｒ  ＆  Ｊ．  Ｍａｉｅｒ、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｏｎｉｃｓ、８８、６４７−６５２（１９９６年）を参照のこと）。また、分子軌道の形成は、大きなバンドギャップの誘電体酸化物内で遅い水素入射粒子を妨害することにつながることが示されている（Ｋ．  Ｅｄｅｒ、Ｄ．  Ｓｅｍｒａｄ、Ｐ．  Ｂａｕｅｒ、Ｒ．  Ｇｏｌｓｅｒ、Ｐ．  Ｍａｉｅｒ−Ｋｏｍｏｒ、Ｆ．  Ａｕｍａｙｒ、Ｍ．  Ｐｅｎａｌｂａ、Ａ．  Ａｒｎａｕ、Ｊ．  Ｍ．  Ｕｇａｌｄｅ、＆  Ｐ．  Ｍ．  Ｅｃｈｅｎｉｑｕｅ，「Ａｂｓｅｎｃｅ  ｏｆ  ａ  『Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ』  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  ｏｆ  Ｓｌｏｗ  Ｐｒｏｔｏｎｓ  Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  Ｌａｒｇｅ−Ｂａｎｄ−Ｇａｐ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ（大きなバンドギャップの絶縁体を移動する遅い陽子のエネルギー損失での「しきい値効果」の欠如）」、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ７９（２１）、４１１２−４１１５、１９９７年を参照のこと）。
【００２９】
障壁層１０００／１００１は、好ましくは、ＧａＮ表面上にｐ型接点またはｎ型接点を引き続き堆積させるために、またはＧａＮ表面上のｐ型接点またはｎ型接点に電気的にアクセスするために、障壁層１０００／１００１を通してその後のエッチングを容易にするために、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さからなる。障壁層１０００／１００１は、最大１００ｎｍまでの厚さであってよい。
【００３０】
図２に例示する方法および素子では、微小画素メサ１０６０の製作処理中、ＧａＮ系材料の処理中に水素障壁層１００１を堆積させる。この方法では、ウエハの形をとってよいＧａＮ系材料を最初にエッチングして、微小画素メサ１０６０のアレイを形成する。画素化と呼ばれるこの処理では、典型的にはプラズマ強化エッチング法を使用してＧａＮ材料をエッチングして、微小画素メサ１０６０のアレイを物理的に分離して形成するトレンチおよび側壁１０７０を形成する。
【００３１】
本発明の例示する製作方法および構造は、微小画素メサ構造１０６０を備える素子の製作に限定されないこと、ならびに開示する方法および構造は、有益には、微小ＬＥＤまたは他の固体発光構造などのＧａＮ系ダイオード構造で水素拡散不動態化ドーピングの危険性が存在する任意の発光半導体構造に適用することができることが明確に留意される。
【００３２】
図１の微小画素メサ構造アレイの実施形態での、微小画素分離側壁１０７０の間隔幅は、好ましくは微小画素メサ幅の何分の１かである。たとえば、９ミクロンの微小画素メサ幅については、側壁１０７０の間隔幅は、好ましくは約１ミクロンである。
【００３３】
ニッケルなどの金属であってよい側壁充填材料から微小画素ダイオードメサ１０６０を電気的に分離するためには、好ましくは、酸化ケイ素または窒化ケイ素などの業界標準の半導体誘電体材料を用いて微小画素側壁のＧａＮ表面を最初に不動態化する。上に不動態化層を堆積させる前に堆積させてよい水素障壁層１００１の材料はまた、有益には、水素拡散障壁１０００を提供することに加えて、微小画素側壁１０７０のための不動態化層の役割を果たす。この方法により加わる利点は、微小画素メサ１０６０の最上部側の上だけではなく側壁１０７０の上にも水素障壁１００１機能が提供され、その結果、酸化ケイ素または窒化ケイ素のような側壁不動態化層から潜在的にＧａＮ材料へ水素が拡散するのを防止することである。図２では、障壁層１０００と１００１の両方を例示する。
【００３４】
記述した方法では図２に例示するように、微小画素メサ１０６０の最上部側と側壁１０７０の両方の上に高誘電率材料の障壁層１００１を堆積させる。高誘電率材料の障壁層１００１は、パルススパッタ堆積法（ｐｕｌｓｅｄ  ｓｐｕｔｔｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＳＤ）またはパルス蒸着法（ｐｕｌｓｅｄ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または原子層堆積（ＡＬＤ）などのスパッタ堆積法を使用して堆積した酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムであってよい。
【００３５】
約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲に及ぶ厚さを有する、堆積した障壁層１００１は、水素障壁層１００１を堆積させる前に微小画素メサ１０６０の最上部側の上に選択的に堆積した金属接点に接続するために使用する微小画素金属接点ビアを堆積させるために、または微小画素金属接点ビアにアクセスするために、微小画素メサ１０６０の最上部側の上でエッチングされてよい。微小画素の金属接点は、放出光が微小画素メサ１０６０から出現するための、遮るものがない微小画素開口部位を提供するように設計される。
【００３６】
図２に例示する微小画素アレイ水素障壁素子の一実施形態では、固体発光構造と、微小画素メサの最上部側の全面にわたって提供されるエピタキシャル成長した（かつパターン形成された）水素障壁層１０００とを備える１組の微小画素メサの最上部側および側壁の上に、たとえば通常の不動態化誘電体、酸化ケイ素、または窒化ケイ素を堆積させる。図２に例示する素子の実施形態では、側壁の上で、および微小画素メサの最上部の上で成長した水素障壁層１０００の最上部の上で、通常の不動態化誘電体を使用する。図２に例示する素子の別の実施形態では、メサの微小画素の側壁および最上部側の上に追加で堆積した水素障壁層１００１と組み合わせて、固体発光構造と、メサの最上部側の全面にわたりエピタキシャル成長した（かつパターン形成した）水素障壁層１０００とを備える１組の微小画素メサを提供する。
【００３７】
図３は、メサの最上部側でさらに処理され、かつ最上部側接点、ビア、中間層誘電体層（１０９０）、および導電グリッド層（１０８０）を有する、図２の１組の微小画素メサの横断面を例示する。中間接合層（１０４４）を使用してキャリア基板（１０５５）に微小画素素子層を接合し、その後、成長基板を解放し、緩衝層を薄くする。図３に例示するように、成長基板１０５０およびＧａＮ緩衝物１０４０を除去した後、微小画素アレイの最上部側および側壁１０７０の上に堆積した障壁層１００１と一緒に、堆積した障壁層１００１内部に微小画素メサ１０６０を完全にカプセル化する障壁層１００１を微小画素アレイの裏側の上に堆積させる。類似の処理は、図２に関係がある、記述したさまざまな実施形態の微小画素メサに適用可能である。
【００３８】
裏側障壁層１００１の堆積に続き、ウェットエッチング法またはドライエッチング法を使用して、堆積した障壁層１００１をエッチングして、裏側障壁層１００１を堆積させる前に堆積していた微小画素メサの裏側の金属接点を露出させる。微小画素メサの裏側金属接点を露出させた後、金属ビアを堆積させて、裏側障壁層１００１の表面上で微小画素メサの接点を電気的にアクセス可能にしてよい。
【００３９】
図３を参照すると、障壁層１００１を堆積させる本明細書の方法は、最上部側または側壁を通って微小画素メサ１０６０ダイオード構造の中に水素が漏れるのを防止する高誘電率接点障壁層１００１を用いて微小画素メサ１０６０を完全にカプセル化するために、さらにまた微小画素メサ１０６０を電気的に完全に分離するために有用である。この方法では、微小画素アレイをキャリア基板（１０５１）に最初に接合し、次いで、典型的にはレーザ・リフト・オフ（ｌａｓｅｒ  ｌｉｆｔ  ｏｆｆ、ＬＬＯ）法を使用してエピタキシャル成長基板１０５０を除去し、かつドライエッチング法、ラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）、または化学機械的研磨とウェットエッチング法の組合せを使用してＧａＮ緩衝物１０４０を取り除いた後、微小画素メサ１０６０の裏側の上に誘電体障壁層１００１を堆積させる。
【００４０】
図４は、別の微小画素アレイ多層構造に、またはＣＭＯＳコントローラ基板に順次接合することができる、障壁層１００１のカプセル化された微小画素アレイ多層構造を例示する。
【００４１】
図４はまた、微小画素アレイ多層構造の最上部側と裏側の両方での微小画素障壁層１００１カプセル化を例示し、それにより、最上部側接点層は、微小画素アレイの共通接点専用になり、裏側接点層は、アレイを備える多種多様な微小画素の固有接点専用になる。
【００４２】
図４を参照すると、微小画素アレイがたとえば異なる色の光を放出する別の微小画素アレイに、または色および強度の微小画素アレイ光変調を制御するように設計されたデジタルＣＭＯＳコントローラ基板に、順次接合される用途では、裏側障壁層１００１の表面上に中間接合層１０４４を堆積させてよい。この場合、障壁層貫通接点ビアは、堆積した中間層誘電体層１０９０を通って伸長し、研磨され、中間接合層１０４４を堆積させて、順次接合した素子層のカプセル化された微小画素アレイ多層構造の間で光、電気信号、または両方を結合させるための接合表面を形成する。
【００４３】
図５は、図６の微小画素横断面図に示す、具体的には成長したままの水素障壁層１０００を利用するために設計された他の特徴を伴う、成長したままの水素障壁層１０００を備えるＧａＮ系発光微小画素構造の別の実施形態を例示する。微小画素の設計特徴は、側壁画素ｐ型接点キャップおよびｐ型接点ビアを含み、画素ｐ型接点キャップは、微小画素エピ構造のｐ型ＧａＮ領域の中に下方へ伸長する。これらの微小画素構造設計特徴の主要な利益は、ｐ型ドープ領域が、成長した水素障壁１０００により、または画素金属ｐ型接点キャップおよびｐ型接点ビアの領域により完全に覆い隠され、それにより、微小画素構造の、水素に影響されやすいｐ型ドープ領域の中に水素が侵入するのを完全に防止することである。
【００４４】
図５の障壁層１０００カプセル化微小画素のアレイを、最上部側または裏側で、異なる色または光を放出する微小画素アレイをカプセル化した別の障壁層１０００に接合することができ、微小画素共通接点層だけではなく微小画素固有接点も、それらの対応する接合層を通して、ＣＭＯＳコントローラ基板に集積した積層として最終的に接合される微小画素アレイの順次接合した積層を通して接続される。順次接合した微小画素アレイを備える微小画素をカプセル化する障壁層１０００の光透過特性は、微小画素アレイ多層の接合積層を通して伝播する、各微小画素アレイ多層から放出された光の透明な微小画素開口部位の透過率を与える。
【００４５】
図６の障壁層１０００カプセル化微小画素を参照すると、微小画素構造メサ１０６０の４つの側面すべてを不動態化すること、および微小画素メサの発光ダイオード構造の中に水素が拡散するのを防止することに加えて、微小画素カプセル化障壁層１０００の高誘電性の性質は、有益には、微小画素側壁１０７０、および微小画素アレイの接合積層内部で間に置かれた金属相互接続層１０８０を通して結合した電気制御信号から微小画素メサ１０６０を電気的に分離して、自身の微小画素の色および輝度の変調制御に電気的にモノリシックに結合した単一開口部多色微小画素アレイ構造を作成するのに役立つ。
【００４６】
図６は、この実施形態の前述の詳細を組み入れた微小画素１０６０の横断面図を提供する。図６に例示する微小画素構造では、素子１のＧａＮ発光構造の一部としてエピタキシャルに堆積した非ドープＧａＮキャッピング障壁層１０００を使用して、水素拡散障壁を実現する。図は、水素拡散キャッピング障壁層１０００として非ドープＧａＮを使用することを示すが、たとえばＡＩＮなどの他のＩＩＩ族窒化物材料を使用することができる。
【００４７】
図６に例示するように、ｐ型接点は、典型的に行われるようにｐ型ＧａＮの最上部側の上に作成されるのではなく、むしろ画素側壁のｐ型ＧａＮ部分の上にｐ型接点キャップ層を使用して作成される。この設計および方法を用いて、発光構造のキャッピング層としてエピタキシャルに成長した、結晶性が非常に高い非ドープＧａＮまたは代わりにＡＩＮ障壁層１０００は、水素障壁の役割を果たし、その一方では、画素のｐ型ＧａＮ領域を取り囲むｐ型接点金属キャップリング層は、画素のためのｐ型接点金属として機能する。
【００４８】
図６に例示するように、ｐ型接点金属リングは、画素の最上部側の隅の周りに巻き付いて、画素のｐ型接点金属接続ビアのための基部を作成する。この実施形態のｐ型接点金属は、画素側壁のｐ型ＧａＮ領域上に作成され、その結果、画素側壁のｐ型ＧａＮ領域に沿って広いｐ型金属接触面積を達成しながら最大光出力を達成するために、金属接点パッドにより遮られていない広い、光学的に透明なＧａＮ開口部位を伴う画素の最上部側を残す。図６では、画素の金属ｐ型接点キャップの深さをｐ型ＧａＮ領域のさまざまな深さまで選択することができる。
【００４９】
図６に例示するように、微小画素ダイオード構造のｐ型ＧａＮ領域内のｐ型ドーピングは、画素活動領域に近接した非ドープＧａＮ部分から、ｐ型ＧａＮまで、ｐ+型ＧａＮまで、ｐ++型ＧａＮまで、ｐ+型ＧａＮまで、ｐ型ＧａＮまで、最終的にｐ型ＧａＮ領域の最上部側の上の非ドープＧａＮ部分まで、連続的に、または段階状に累進化されてよく、それにより、非ドープＧａＮの最上部側の厚さは、好ましくは約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さの範囲であるが最大数１００ｎｍまでになる可能性がある効果的水素障壁の作成を確実にするように選択される。
【００５０】
側壁のｐ型接点金属キャップならびにｐ型ＧａＮ領域の累進化ドーピングは、画素のｐ型ＧａＮ領域の中に水素が拡散するのを妨害するための効果的障壁を確実にしながら、画素のｐ型ＧａＮ領域への効果的ｐ型接点を確実にする。
【００５１】
図６に例示するように、画素の金属ｐ型接点キャップは、画素側壁のｐ型ＧａＮ領域の上に堆積させられ、画素の隅の周りに巻き付いて、微小画素アレイｐ型接点金属レールに画素のｐ型接点キャップを接続するｐ型接点金属ビアを堆積させるために使用する金属層基部を作成する。
【００５２】
電子ビーム堆積またはスパッタリングなどの標準的半導体薄膜堆積法を使用して、画素側壁のｐ型ＧａＮ領域の上に微小画素キャップのｐ型接点を堆積させる。ｐ型接点画素キャップは、画素側壁のｐ型ＧａＮ領域の上に堆積させられ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、またはＰｄ（しかしこれらに限定されない）などの、少なくとも２つの薄い金属層から構成されてよく、厚さおよび機能は、ｐ型接点キャップと画素のｐ型ＧａＮ領域の間でオーム接点を達成するように選択される。
【００５３】
上記の構造を製造するための方法の限定しない例では、適切なウェットエッチングと組み合わせて、標準的ＩＩＩ−Ｖ族半導体処理方法、およびプラズマに基づくドライエッチングを使用して、画素側壁をエッチングすることによりＧａＮウエハを画素化して、必要とされる画素側壁の角度および表面平滑性を達成する。たとえば酸化ケイ素または窒化ケイ素または両方の組合せの薄い誘電体層を堆積することによって、エッチングした側壁を不動態化する。不動態化層は、画素側壁のｐ型ＧａＮ領域から、および側壁領域の上に堆積したオーム性のｐ型接点キャップ金属層から離してエッチングされる。ｐ型接点キャップを堆積させた後、酸化ケイ素、窒化ケイ素、または両方の薄層を使用して画素側壁を再度不動態化する。画素側壁を２度目に不動態化した後、側壁の残りのトレンチは、スズまたはニッケル（しかしこれらに限定されない）などの金属で充填され、金属は、画素を光学的に分離するように作用し、適切な制御信号と画素を相互接続するビアとして使用される。
【００５４】
本発明の精神および範囲を逸脱することなく、当業者により多くの改変および修正を行ってよい。したがって、例示した実施形態は、例のためだけに示されていること、ならびに本出願に対する優先権を主張する任意のその後の出願での任意の請求項により定義されるように本発明を限定すると捉えられるべきではないことを理解しなければならない。
【００５５】
たとえば、そのような請求項の要素をある種の組合せの形で示してよいという事実にもかかわらず、本発明は、上記で開示するよりも少ない要素、多い要素、または上記で開示するのと異なる要素の他の組合せを、そのような組合せで最初に特許請求されなかったときでさえ含むことを明確に理解しなければならない。
【００５６】
本発明およびそのさまざまな実施形態について記述する、本明細書で使用する用語は、用語の一般的に定義された意味の語義で理解すべきであるだけはなく、一般的に定義された意味の範囲を越える本明細書の構造、材料、または活動での特別の定義により含まれる語義も含むべきである。したがって、本明細書の文脈で要素が２つ以上の意味を含むと理解することができる場合、その後の請求項での要素の使用を、明細書および用語自体が裏付ける可能な意味すべてに対する総称であるとして理解しなければならない。
【００５７】
したがって、本出願に対する優先権を主張する任意のその後の出願での任意の請求項の用語および要素の定義は、文字通りに示された要素の組合せだけではなく、実質的に同じ結果を得るために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を遂行するための均等な構造、材料、または活動すべてもまた含むと定義されるべきである。したがって、この意味で、以下のそのような請求項で２つ以上の要素を要素の任意の１つに均等に置換してよいこと、ならびにそのような請求項で単一要素を２つ以上の要素と置換してよいことが企図される。
【００５８】
要素について、ある種の組合せで活動するとして上記で記述し、さらにまたその後そのように特許請求することがあるが、場合によっては、特許請求した組合せから得られる１つまたは複数の要素を組合せから削除することができること、ならびにそのような特許請求した組合せは、副組合せまたは副組合せの変形形態を対象とすることがあることを明確に理解されたい。
【００５９】
当業者が考慮するとき、その後特許請求した任意の主題からのわずかな変更は、今公知であっても、後で考案されても、そのような請求項の範囲に均等に入ると明確に企図される。したがって、当業者に今または後で公知の明白な置換は、定義された要素の範囲に入ると定義される。
【００６０】
したがって、本出願に対する優先権を主張するその後の任意の出願での任意の請求項は、上記で具体的に例示し、記述したこと、概念的に均等であること、明白に置換することができること、さらにまた本発明の本質的考えを本質的に組み入れたことを含むと理解されるべきである。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和3年2月16日(2021.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層半導体発光構造であって、
第１の組成を有する第１の層と、
第２の組成を有する第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層の間の少なくとも１つの多種多様な量子井戸活動領域と、
前記多層半導体発光構造から水素ガスを分離し、それにより、前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを防止する、または最小にするように選択されたバンドギャップおよび結晶性のうち少なくとも一方を有する、前記第１の層の上の少なくとも１つの水素障壁層と
を備える多層半導体発光構造。
【請求項２】
前記少なくとも１つの水素障壁層は、前記多層半導体発光構造のエピタキシャル成長中に堆積した最終層である、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの水素障壁層の選択された材料は、前記第１の組成および前記第２の組成とエピタキシャルに適合する材料である、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項４】
前記少なくとも１つの水素障壁層の前記選択された材料は、非ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡＩＮ）または両方の合金である、請求項３に記載の多層半導体発光構造。
【請求項５】
前記少なくとも１つの水素障壁の前記選択された材料は、前記少なくとも１つの水素障壁が前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを防止する、または最小にする効果的障壁を形成するために必要なバンド・ギャップ・エネルギーを有するように選択されたアルミニウム比を有する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）材料である、請求項３に記載の多層半導体発光構造。
【請求項６】
前記少なくとも１つの水素障壁層は、第１の水素障壁層、および前記第１の水素障壁層の上に第２の水素障壁層を備え、
前記第１の水素障壁層および前記第２の水素障壁層の各々は、前記多層半導体発光構造の中に前記水素が拡散するのを効果的に防止するように選択された対応するバンド・ギャップ・エネルギーを有する、
請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項７】
前記第１の水素障壁層の選択された材料は、非ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡＩＮ）または両方の合金を備え、
前記第２の水素障壁層の選択された材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を備える、
請求項６に記載の多層半導体発光構造。
【請求項８】
前記少なくとも１つの水素障壁層の厚さは、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍである、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項９】
スパッタリング、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、または原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して前記第２の水素障壁層を堆積させる、請求項６に記載の多層半導体発光構造。
【請求項１０】
緩衝層および基板
をさらに備え、
前記基板の上に前記緩衝層を堆積させ、前記緩衝層の上に前記第２の層を堆積させる、
請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【国際調査報告】
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2021527334.tif 000010
2021527334.tif 000011