(57)【要約】  紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ１２、及び安定したｃｗ出力を呈するＡｌＩｎＧａＮ多重量子井戸活性領域５００を用いて該紫外発光ダイオードアレイを製造する方法。ＬＥＤは、その上に紫外発光アレイ構造を有するテンプレート１０を備える。テンプレートは、第１のバッファ層３２１、そして第１のバッファ層上に第２のバッファ４２１を備える。好ましくは双方のバッファ層内に歪み緩和層がある。次に、第１のタイプの導電率を有する半導体層５００が存在し、続いて、１９０ｎｍ〜３６９ｎｍの範囲の放射スペクトルを有する量子井戸領域６００を提供する層が存在する。次に、第２のタイプの導電率を有する別の半導体層８００が適用される。第１の金属コンタクト９８０は、第１の層と電気的に接触する電荷拡散層であり、ＬＥＤアレイの間にある。第２のコンタクト９９０が第２のタイプの導電率を有する半導体層に適用され、ＬＥＤが完成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外発光素子であって、
トレンチ形成されている第１のバッファ層と、前記第１のバッファ層の上に合体されている第２のバッファ層（前記第２のバッファ層はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を含む）とを備えるテンプレートと、
前記テンプレート上の第１の導電率を有する第１の層（ここで、前記第１の層は複数のメサから成るアレイを備える）と、
前記複数のメサの各メサ上の発光量子井戸領域と、
前記量子井戸領域の各量子井戸領域上の第２の導電率を有する第２の層と、
前記第１の層と電気的に接続している第１の電気コンタクトと、
前記第１の電気コンタクトと電気的に接続している電流拡散層（ここで、該電流拡散層は前記第１の層の任意の部分の電流拡散長よりも遠くない）と、
各前記第２の層に電気的に接続している第２の電気コンタクトと、
前記複数のメサの各前記メサ間のリーク抑制層と、
前記複数のメサの前記各メサ上の前記第２の電気コンタクトと電気的に接続している第３の電気コンタクトと、
を備え、それによって、前記第１の電気コンタクト及び前記第３の電気コンタクトに電位が印加されると、該素子が紫外光を発光する、紫外発光素子。
【請求項２】
前記第１のバッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項３】
前記第１のバッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の複数の層を有する少なくとも１つの超格子下位層から作製される、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項４】
前記第１のバッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される第１の下位層を備え、該第１の下位層は非ドープである、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項５】
前記第１のバッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される第２の下位層を備え、該第２の下位層はケイ素及びインジウムから選択される少なくとも１つの材料を用いてドープされる、請求項４に記載の紫外発光素子。
【請求項６】
前記第１のバッファ層は、
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから作製される第１の下位層(式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１、並びに、該第１の下位層は非ドープである)と、
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの複数の層を有する少なくとも１つの超格子下位層（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）と、
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから作製される第２の下位層(式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１、並びに、該第２の下位層はケイ素及びインジウムから選択される少なくとも１つの材料を用いてドープされる)と、
を備える、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項７】
前記第１のバッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから作製される第３の下位層 (式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１、並びに該第３の下位層は非ドープである) をさらに備える、請求項６に記載の紫外発光素子。
【請求項８】
前記第１のバッファ層はＡ１ＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（式中、）を含み、ただし、０．０１＜ｘ≦１、０．０２≦ｙ≦１、０．０１＜ｘ＋ｙ≦１である、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項９】
前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、ＩＩＩ族材料及びＶ族材料がパルス成長法を介して注入されるように堆積され、該ＩＩＩ族材料及び該Ｖ族材料は、定常流を有するのではなく、連続的にパルス化されるか、又はＩＩＩ族ソースパルスがＶ族ソースパルスがない状態で部分的にオンになるか若しくはＶ族ソースパルスと部分的に融合するようにパルス化される、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項１０】
前記第２のバッファ層は、
前記第１のバッファ層の上に合体されて第１の平面層を形成する第１の下位層と、
前記第１の下位層に適用される第２の下位層と、
をさらに備える、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項１１】
前記第２の下位層は超格子層である、請求項１０に記載の紫外発光素子。
【請求項１２】
第３の下位層をさらに備え、該第３の下位層は超格子層である、請求項１１に記載の紫外発光素子。
【請求項１３】
第４の下位層をさらに備える、請求項１１に記載の紫外発光素子。
【請求項１４】
前記第１の電気コンタクトは、第１の導電率を有する前記第１のバッファ層によって支持される、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項１５】
前記第１の電気コンタクトは、第１の導電率を有する前記第１の層によって支持され、前記テンプレートは基板をさらに備え、前記第１のバッファ層は該基板と前記第２のバッファ層との間にある、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項１６】
前記基板は、Ｃ平面、Ａ平面、Ｍ平面、又はＲ平面に沿った結晶配向を有する、請求項１５に記載の紫外発光素子。
【請求項１７】
前記第１のバッファ層はＡｌＮから作製され、少なくとも０．１μｍの深さまで選択的にトレンチ形成される、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項１８】
前記発光構造は、量子井戸領域であって、
Ａ１ＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮを含む量子井戸であって、式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｘ＋ｙ≦１であり、表面及びバンドギャップを有する、量子井戸と、
前記量子井戸の前記表面上の障壁層であって、前記量子井戸の前記バンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、Ａ１ＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮを含み、式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１であり、前記量子井戸領域は該障壁層と共に開始及び終了する、障壁層と、
の交互の層を含む、量子井戸領域を備える、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項１９】
前記量子井戸領域は、単一量子井戸又は多重量子層を備える、請求項１８に記載の紫外発光素子。
【請求項２０】
前記量子井戸及び前記障壁層は、異なるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）組成を有する、請求項１８に記載の紫外発光素子。
【請求項２１】
前記量子井戸領域は紫外光子を生成する、請求項１８に記載の紫外発光素子。
【請求項２２】
前記メサは、円形、長円形、楕円形、三角形、及び多角形から選択される形状を有する、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項２３】
前記メサは１０μｍ〜１ｍｍの相当直径を有する、請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項２４】
紫外発光素子を作製する方法であって、
基板に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を含む第１のバッファ層を適用するステップと、
前記第１のバッファ層内にトレンチを形成するステップと、
パルス横方向成長技法を使用して前記第１のバッファ層に第２のバッファ層を適用して平面層を形成するステップ（該第２のバッファ層はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を含む）と、
前記第２のバッファ層上に超格子層を適用するステップ（該超格子層はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を含み、テンプレートを形成する）と、
前記テンプレート上に第１の導電率を有する第１の層を形成するステップと、
前記第１の層上に量子井戸を形成するステップと、
各前記量子井戸上に第２の導電率を有する第２の層を形成するステップと、
前記第１の層の上に電荷拡散層を形成するステップ（ここで、該電荷拡散層はボイドを有し、該ボイドを前記メサが貫通しており、該電荷拡散層は、各メサの最も遠い範囲から電流拡散長以下である距離だけ離隔している）と、
各前記第２の層に接触する導電層を形成するステップと、
を含む、方法。
【請求項２５】
前記第１のバッファ層内の前記トレンチは少なくとも０．１μｍ深さである、請求項２４に記載の紫外発光素子を作製する方法。
【請求項２６】
前記第２のバッファ層は合体する、請求項２４に記載の紫外発光素子を作製する方法。
【請求項２７】
前記第１のバッファ層はＡｌＮから作製され、少なくとも０．１μｍの深さまでトレンチ形成される、請求項２４に記載の紫外発光素子を作製する方法。
【請求項２８】
前記トレンチは、少なくとも４μｍ以上７００μｍ以下の幅を有する、請求項２４に記載の紫外発光素子を作製する方法。
【請求項２９】
前記トレンチ間の距離は、少なくとも２μｍ以上１ｍｍ以下である、請求項２４に記載の紫外発光素子を作製する方法。
【請求項３０】
紫外発光素子であって、
トレンチ形成されている第１のバッファ層と、前記第１のバッファの上の第２のバッファ層(前記第２のバッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を含む)とを備えるテンプレートと、
前記テンプレート上の第１の導電率を有する第１の層（ここで、前記第１の層は、複数のメサから成るアレイを備える）と、
前記複数のメサの各メサ上の発光量子井戸領域と、
前記量子井戸領域の各量子井戸領域上の第２の導電率を有する第２の層と、
前記第１の層と電気的に接触している第１の電気コンタクトと、
前記第１の電気コンタクトと電気的に接続している電流拡散層（ここで、該電流拡散層は前記第１の層の任意の部分の電流拡散長よりも遠くない）と、
各前記第２の層に電気的に接続している第２の電気コンタクトと、
前記複数のメサの各前記メサ間のリーク抑制層と、
前記複数のメサの各前記メサ上の前記第２の電気コンタクトと電気的に接続している第３の電気コンタクトと、
を備え、それによって、前記第１の電気コンタクト及び前記第２の電気コンタクトに電位が印加されると、該素子が紫外光を発光する、紫外発光素子。
【請求項３１】
紫外放射素子であって、
第１の表面及び第２の表面を備える支持構造と、
前記支持構造から突出している複数のマイクロピラー（ここで、該複数のマイクロピラーの各マイクロピラーは、前記支持構造から突出する第１の表面を備える）と、
各前記マイクロピラーは紫外発光量子井戸領域を備え、該紫外発光量子井戸領域は、ｎ型導電率を有する第１のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層と、ｐ型導電率を有する第２のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層との間に堆積され、前記第１のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を含むバッファ層上に成長され、
前記第１のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）に電気的に接続し、且つ第２の金属電極は前記第２のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層に電気的に接続している第１の金属電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間のリーク抑制層と、
前記第２の電極と電気的に接触し、前記リーク抑制層の最上部に堆積される第３の平坦金属電極と
を備え、
それによって、前記第１の金属電極及び前記第３の金属電極に電位が印加されると、該素子が紫外光を発光する、紫外発光素子。
【請求項３２】
前記マイクロピラーは５００μｍ以下の直径を有する、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【請求項３３】
チタン、ニッケル、プラチナ、モリブデン、タングステン、パラジウム、及び金から成る群から選択される、少なくとも１つの元素又は元素の合金を含む金属マスクを形成することによって、メサエッチングを形成することを含む、請求項３１に記載の紫外放射素子を作製する方法。
【請求項３４】
反応性エッチング、誘導結合プラズマ、湿式化学エッチング、又はそれらの組み合わせによってメサエッチングすることを含む、請求項３１に記載の紫外放射素子を作製する方法。
【請求項３５】
メサの形成は、塩素ガス、塩化ホウ素ガス、四塩化炭素ガス、メタンガス、フッ素ガス、アルゴンガス、又はそれらの組み合わせを用いた多重ステップＲＦ出力変調を含む、請求項３１に記載の紫外放射素子を作製する方法。
【請求項３６】
前記湿式化学エッチングは、有機溶液、酸性溶液、又はそれらの組み合わせによって行われる、請求項３５に記載の紫外放射素子を作製する方法。
【請求項３７】
前記有機溶液は、アセトン、トルエン、イソプロパノール、及びメタノールから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項３６に記載の紫外放射素子を作製する方法。
【請求項３８】
前記酸性溶液は、王水、緩衝フッ化水素酸、塩酸、酢酸、硫酸、及び硝酸から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項３６に記載の紫外放射素子を作製する方法。
【請求項３９】
前記第１の金属電極は、チタン、アルミニウム、ニッケル、金、パラジウム、プラチナ、バナジウム、モリブデン、及び窒化チタンから選択される少なくとも１つの材料の少なくとも１つの層を備える、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【請求項４０】
前記金属層は、単一ステップアニーリング又は多重ステップアニーリングを受ける、請求項３１に記載の紫外放射素子を作製する方法。
【請求項４１】
前記第２の金属電極は、ニッケル、プラチナ、金、パラジウム、酸化インジウム、酸化インジウムスズ、酸化ニッケル、酸化パラジウム、酸化亜鉛、及び酸化ジルコニウムから選択される少なくとも１つの材料を含む少なくとも１つの層を備える、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【請求項４２】
前記リーク抑制層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＳＵ−８、ＢＣＢ、及び絶縁ポリマーから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【請求項４３】
前記第３の電極は、前記リーク抑制層上に堆積され、各前記マイクロピラーを接続する、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【請求項４４】
前記第３の平坦金属電極は、チタン、タングステン、銅、ニッケル、金、パラジウム、プラチナ、バナジウム、モリブデン、及びチタン窒化物から選択される少なくとも１つの材料を含む少なくとも１つの層を備える、請求項４３に記載の紫外放射素子。
【請求項４５】
前記紫外素子はフリップチップパッケージ素子である、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【請求項４６】
前記フリップチップパッケージは、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｃｕ、ＣｕＷ、Ｍｏ、又は銅合金から選択される熱キャリア又はサブマウントを備える、請求項４５に記載の紫外放射素子。
【請求項４７】
前記支持構造は、基板、第１のバッファ層、第１のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層をさらに備え、前記第１のバッファ層は前記基板と前記第１のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ層との間にある、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【請求項４８】
前記基板は、レーザを利用したリフトオフ、ラッピング、及び研磨、湿式化学エッチング、並びにイオンミリングから選択される少なくとも１つの方法によって除去される、請求項３１に記載の紫外放射素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には、紫外発光素子、及び発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
本出願は、２００７年１０月７日付けで出願された、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０７／８１６２５号の優先権を主張し、該国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０７／８１６２５号は、２００６年１０月１８日付けで出願された、失効した米国仮特許出願第６０／８５２，６７３の利益を主張する。これらの特許出願の双方が参照により本明細書に援用される。本出願は、２００７年８月１４日付けで出願された、係属中の米国仮特許出願第６０／９３５，４９１号の利益も主張し、該特許出願は参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等のＩＩＩ族窒化物化合物半導体（以下、「ＩＩＩ族窒化物半導体」又は「ＩＩＩ窒化物」とも呼ぶ）は、緑色光、青色光又は紫外光を放出する半導体素子用の材料として注目を集めてきた。青色光を放出する発光ダイオード又はレーザダイオードは、ディスプレイ、照明及び高密度光ディスクデバイスに使用され得る。紫外放射を放出する発光素子（頭字語ＬＥＤと共に、本明細書において使用する場合、便宜上、特に指定がない限り、発光ダイオード及びレーザダイオードの双方を指す）は、紫外硬化、光線療法、水及び空気浄化、生物検知及び殺菌処理の分野で応用されることが期待されている。電磁スペクトルの紫外部分は多くの場合、波長により、ＵＶＡ（３１５ｎｍ〜３８０ｎｍ）、ＵＶＢ（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）及びＵＶＣ（２８０ｎｍ未満）に細分化される。
【０００４】
予期された紫外ＬＥＤの普及に起因して、ＬＥＤの光度を増強すると共にＬＥＤの利用可能なサイズを増加させるという継続的な要望が存在している。水、空気、及び食料の浄化（purification）等の多くの用途において、多数の高強度ＬＥＤ発光体を有するＬＥＤアレイを提供するという継続的な要望が存在する。そのようなアレイを達成する１つの方法は、個々の別個のＬＥＤを１つのアレイに組み合わせることである。この方法は、接続が多数にのぼること及び組立関連コストに起因して非常に望ましくない。
【０００５】
好ましい手法は、多数のＬＥＤが一体化した基板を提供することである。本発明は、従来利用可能でなかったこのような素子、及び該素子の製造方法を対象とする。
【０００６】
Jiang他による特許文献１は、ＬＥＤアレイの形成を記述しており、ここではＬＥＤが基板上に形成される。図１Ａに示すように、ｎコンタクトがｎ型層と電気的に接触し、ｐコンタクトがｐ型層と電気的に接触している。当業者は理解するように、ｎコンタクト及びｐコンタクトはＬＥＤの電気的活性化のための主要な電気コンタクト（electrical contact）を形成する。
【０００７】
特許文献１に記載される構成は、高導電率のｎ型層を備えるＬＥＤに適している。該特許文献における記述から容易に認識されるように、電流は、ｎコンタクトからｎ型層を通じて、量子井戸層及びｐ型層を備えるピラーへと流れなくてはならない。この用途は、層の抵抗が約２０Ω／□であるＧａＮベースＬＥＤに適している。ＡｌｘＧａ１ーｘＮ等においてアルミニウム含量が増加すると、層内の抵抗が増加し、それによって構造が不十分になる。約５モル％〜約１０モル％のアルミニウム等の低レベルのＡｌの場合、抵抗は約６０Ω／□である。アルミニウムのパーセンテージが、約５５モル分率〜６０モル分率のアルミニウム等まで増加すると、抵抗は約２５０Ω／□を超えて増加する。アルミニウムがない場合であっても、ｎ型層内の抵抗によって電流のための経路長が広範囲に及ぶことができないため、アレイのサイズは制限される。
【０００８】
ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、多くの理由で製造が困難である。たとえば、ＩＩＩ族窒化物系半導体層とそれらが上に構成されるサファイア、炭化ケイ素又はケイ素等の基板との間の格子不整合及び熱的不整合から欠陥が発生する。さらに、不純物及び傾斜境界の結果として、結晶欠陥が形成される。これらの欠陥は、これらの材料から製作されるＬＥＤ及びＬＤの効率及び寿命を低減することが分った。これらの欠陥は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ）、水素化物気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）及びいくつかの他のそれほど一般的ではない成長技法を介して成長する膜に関し、典型的な転位密度が１０８ｃｍ−２〜１０１０ｃｍ−２の範囲である上述した基板上に、ヘテロエピタキシャル成長したＩＩＩ窒化物膜の場合に観察された。したがって、転位密度を低減することが重要な目的となっている。
【０００９】
転位密度を低減する１つの方法は、従来技術において既知の技法であるエピタキシャル横方向成長（epitaxial lateral overgrowth）（ＥＬＯＧ）の使用に基づく。この方法により、転位密度を１０５ｃｍ−２〜１０６ｃｍ−２まで低減することができる。しかしながら、この方法は、アルミニウムがマスク材料に付着し横方向成長を阻害する傾向があるため、アルミニウム含有ＩＩＩ窒化物系半導体の成長には有効でないことが分った。ＰＥＮＤＥＯエピタキシ及びＦＡＣＥＬＯ成長を含むこの手法のいくつかの変形もまた実証されている。これらの技法のすべては、アルミニウム含有ＩＩＩ窒化物材料の場合のＥＬＯＧ法と同じ制限を受ける。
【００１０】
さらに、カンチレバーエピタキシ（cantilever epitaxy）と呼ばれる技法は、たとえばマスキングとは対照的にエッチングによって画定されるピラーからの成長を含む。
【００１１】
歪みを緩和するために基板と半導体層との間に中間層を挿入して、表面ファセット形成を制御すること又はバッファ層と活性層との間に非特許文献１に記載されているようにＩＩＩ族窒化物超格子層を挿入することにより、転位を互いに屈曲させることによって転位を除去することを含む、選択領域成長を含まない、転位低減に対するいくつかの他の手法が報告されている。
【００１２】
ＵＶＡ領域、ＵＶＢ領域、及びＵＶＣ領域に対し、ＡｌＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を有するサファイア基板上のミリワット出力ＤＵＶ  ＬＥＤが以前に報告されている。従来技術において使用されるＬＥＤ設計は、いくつかの重要な革新から利益を得ている。すなわち、（１）バッファＡｌＮ層の品質を向上させるためのパルス原子層エピタキシ法（ＰＡＬＥ）の使用、（２）薄膜応力を制御しエピ層クラッキングを軽減するための、バッファＡｌＮとｎコンタクトＡｌＧａＮ層との間のＰＡＬＥ堆積ＡｌＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮの短時間の超格子層挿入の使用、及び（３）ホール注入を改善するためのｐ−ＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮヘテロ接合コンタクト層である。
【００１３】
今日まで、２０ｍＡのｃｗポンプ電流の下では、最先端技術によるＵＶＣ  ＬＥＤの平均出力は約１ｍＷである。これらのＬＥＤは、通常、実効面積がおよそ２００μｍ×２００μｍ〜３００μｍ×３００μｍの範囲であり、様々な幾何学的形状が実証されている。サファイア基板の熱伝導率が不十分であるため、出力は、およそ４０ｍＡ〜５０ｍＡポンプ電流で急速に飽和する。２０ｍＡポンプ電流では、素子寿命（５０％出力低減）は、ヒートシンクにフリップチップされるパッケージ化素子の場合、およそ１０００時間である。理論によって制約されることなしに、この出力／寿命制限の重要な理由は、活性領域における転位と、多数の素子が直列になること（high device series）及びサファイアの熱伝導率が不十分であることに起因する過度な加熱とである。不都合なことに、多くの商用用途では、出力及び寿命が今日まで報告された最良値よりも大幅に優れていることが必要である。
【００１４】
現在、いくつかの研究グループは、深ＵＶ  ＬＥＤの出力−寿命性能を向上させるために、低欠陥密度ＡｌＮ基板を積極的に開発している。ＤＵＶ  ＬＥＤに対するテンプレートとして、ＳｉＣ基板上に１２μｍ厚さの高品質ＡｌＮ層を堆積する、新しいエアブリッジによる高温（１５００℃）横方向エピタキシ手法に関する報告がなされている。底面サファイア基板上に１５μｍ〜２０μｍ厚さのＡｌｘＧａ１−ｘＮを堆積する手法として、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのパルス横方向成長(pulsed lateral overgrowth)（ＰＬＯＧ）が既に実証されている。高温手法の代りに、１１５０℃でのパルス成長モードを使用して、成長面上のＡｌ前駆体の移動性を向上させた。これらのパルス横方向成長（ＰＬＯＧ）したＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は、横方向成長領域における貫通転位の数の大幅な低減を示し（〜１０７ｃｍ−２）、それにより２１４ｎｍでの光励起レーザ発振の実証が可能となった。以前の報告では、ＰＬＯＧ  ＡｌｘＧａ１−ｘＮは、浅い（〜０．３μｍ）トレンチ形成サファイアからか又は薄いＡｌＮエッチングテンプレート（〜０．３μｍ）から成長した。
【００１５】
活性領域内のＩＩＩ族窒化物量子井戸を使用する、サファイア基板、ＳｉＣ基板、又はバルクＧａＮ基板上の深紫外発光ダイオード及び可視発光ダイオードの多数の報告が存在する。導電のＳｉＣ基板及び導電ＨＶＰＥ  ＧａＮ基板は、熱伝導率が良好であり、垂直導通形状を可能にするという利点を有する。不都合なことに、これらの基板は深ＵＶにおいて吸収性が高い。サファイアは、光抽出効率が改善することに起因してＵＶ  ＬＥＤのための好ましい基板であるが、ＤＣ動作下において、基板の作動電圧が比較的高く熱伝導率が不十分であることに起因して、サファイアは過度の自己加熱を受ける。当該技術分野において、特に熱管理に関する欠陥を克服することが強く望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第６，４１０，９４０号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Applied Physics Letters, July 22, 2002; Volume 81, Issue 4, pp.604-606
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、より高品質であり、より信頼性が高く、より頑強な深ＵＶ発光ダイオード及びレーザダイオードアレイが依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、紫外発光アレイ、及び紫外発光アレイを製造する方法を提供する。
【００２０】
好ましい実施の形態では、本発明は、テンプレートの上に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ(式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１)の量子井戸活性領域を有する、深紫外発光アレイ（λｐｅａｋ＝２００ｎｍ〜３６９ｎｍ）である。
【００２１】
本発明は、パターン化テンプレートと共にＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が使用され、テンプレートが、サファイア等の基板と、トレンチ内にエッチングされるＩＩＩ窒化物半導体層の単層又は多層の第１のバッファとを備える場合に、欠陥密度の低減を提供する。低欠陥密度ＩＩＩ窒化物の第２のバッファ層は、パルス横方向成長ＩＩＩ窒化物層を使用することによってその上に形成される。
【００２２】
本方法は、基板の上に単層又は多層バッファを堆積するステップと、バッファ層にトレンチ形成するステップと、パルス横方向成長技法を使用してトレンチ形成されたバッファにＡｌＩｎＧａＮの第２のバッファ層を適用してテンプレートを形成するステップとを含む。次に、テンプレートの上に深紫外（ＤＵＶ）発光構造（１９０ｎｍ〜３６９ｎｍ）が適用される。
【００２３】
本発明の特徴は、本発明のバッファ層が、ＡｌＮに対して薄くない（０．１μｍよりも大きい厚さの）単一ＩＩＩ窒化物層であってもよく、又はＡｌＩｎＧａＮから作製されることが好ましく、且つ歪み緩和及び光透過性の双方に対して最適化された設計を有する、ＩＩＩ窒化物の三元（ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、四元（ＡｌＩｎＧａＮ）又は多層を備えるということである。従来技術では、バッファ層は、単層の薄いＡｌＮを備える。別の特徴は、欠陥を低減し且つ歪みを緩和する超格子の使用である。超格子は、下位層から上位層までの変換素子としての役割を果たす交互の組成の一続きの薄い層であり、応力を緩和し、格子内形状を第１の層から第２の層にシフトさせる。
【００２４】
本発明の別の特徴は、ＰＬＯＧ成長を行う前に深いトレンチ（深さ０．４μｍ以上）を形成することである。エッチ深さは、従来技術では０．１μｍであり、この浅いエッチ深さにより、成長がトレンチでも発生するため、正常に行うことができる横方向成長の量が制限されていた。従来技術はまた、ＡｌＮか又はエッチングされたサファイアのいずれかであるピラーも含んでいた。本発明では、ピラーは、エッチ深さが０．３μｍ以上であり、基板内に発生するいかなるエッチングも含む、単一のＡｌＩｎＧａＮ層又は複数のＡｌＩｎＧａＮ層を備えることができる。
【００２５】
上述したように、従来技術では、カンチレバーエピタキシと呼ばれる技法が教示されているが、この技法は、横方向成長を強化する著しい利益を提供する成長種のパルス化を含まず、エッチングされたピラー内に歪み緩和構造を組込むことを含まず、且つ欠陥低減材料上への電気的に注入された発光構造を達成する形成方法を述べていない点で、本発明とは異なる。
【００２６】
本発明のさらに別の特徴は、ＰＬＯＧバッファの上部であるが発光ダイオードＡｌＩｎＧａＮ：Ｓｉ  ｎコンタクト層の下方に、厚いドープＡｌＩｎＧａＮ層又は厚い非ドープＡｌＩｎＧａＮ層を、その厚さが１μｍ以上であるように成長させることである。
【００２７】
他の特徴及びそれらの利点は、半導体設計及び発光ダイオードの技術分野における当業者には、特に、以下の図面が添付された、以下の発明を実施するための形態を注意深く読むことにより明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、単一のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。
【図２ａ】本発明の好ましい実施形態による、複数のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。
【図２ｂ】本発明の別の好ましい実施形態による、複数のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。
【図２ｃ】本発明の別の好ましい実施形態による、複数のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。
【図３ａ】図４の発光ダイオードのエピ層構造の一部の概略図であり、ここでは好ましい実施形態によるトレンチが形成されている第１のバッファの一部と、好ましい実施形態による横方向に成長したＰＬＯＧバッファとを有するように示されている。
【図３ｂ】図４の発光ダイオードのエピ層構造の一部の概略図であり、ここでは好ましい実施形態によるトレンチが形成されている第１のバッファの一部と、好ましい実施形態による横方向に成長したＰＬＯＧバッファとを有するように示されている。
【図３ｃ】図４の発光ダイオードのエピ層構造の一部の概略図であり、ここでは好ましい実施形態によるトレンチが形成されている第１のバッファの一部と、好ましい実施形態による横方向に成長したＰＬＯＧバッファとを有するように示されている。
【図４】本発明の好ましい実施形態による、１つのアレイの単一の発光ダイオードのエピ層構造の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態の部分概略図の上面斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態の概略図の側面図である。
【図７】本発明の一実施形態の概略図の側面図である。
【図８】特に好ましい一実施形態を示す図である。
【図９】本発明の様々な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、発光素子（ＬＥＤ）アレイ、及びＬＥＤアレイ、特に深紫外光を放出するＬＥＤアレイを作製する方法である。特に、図４に示すように、紫外発光構造１２のアレイのためのプラットフォームとしての役割を果たすテンプレート１０が提供される。簡単に、テンプレート１０は、基板と、ＬＥＤウェハを形成する際の第１のステップとして基板上に追加される第１のバッファ層とを備える。
【００３０】
テンプレートは、基板を含んでもよいが、２つのバッファ層を有し、そのうちの１つはトレンチ形成されており、２つ目は、好ましくは、第１のバッファ層の上に合体（coalesced）平面層を形成する。合体には、深いトレンチ（ＡｌＮの場合、高さ０．４μｍ以上）の上に、又はピラーが２つ以上のＩＩＩ族種又は複数の層の組合せを含む場合は、浅いトレンチか若しくは深いトレンチの上に、ＰＬＯＧを行うことが含まれる。ピラーは、アレイ内に、ＡｌＮを含むＩＩＩ窒化物系半導体の多層積層体と歪み緩和超格子とを備えることができる。実施形態によっては、ピラーの超格子の上部に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）を含む追加の層、及び第１の超格子とは平均組成が異なる追加の超格子が含まれる。ＡｌＮ又はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の第２のバッファ層は、ＰＬＯＧ技法により、エッチングされたピラーの上に、好ましくは合体して平面を形成するまで成長する。テンプレートの上の平面の上部に堆積される紫外発光構造は、ＰＡＬＥ又は従来のＭＯＣＶＤによって堆積されたＡｌＮから成り、実施形態によっては、ＡｌＮの上に追加の歪み緩和超格子が堆積される。次に、厚い（厚さ１．５μｍ以上）非ドープ又はｎ型ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）層が堆積される。ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）が非ドープである場合、追加のｎ型ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、及び０≦ｙ≦１）層が堆積される。これに続き、発光素子の上部電極を形成する、量子井戸活性領域材料及びｐ型ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｘ＋ｙ≦１）材料が堆積される。理論に拘束されることを望まないが、本発光ダイオードの優れた性能は、厚いＰＬＯＧ成長ＡｌＮ又はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）材料からの熱インピーダンスの低減と、横方向成長ＡｌＮ又はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）バッファにおける全欠陥密度の低減との組合せに起因する。電流拡散層がｎ型層に適用され、該電流拡散層は、ｎ型層の最も遠い内向限界（inward extent）から電流拡散長以下だけ離隔されている。
【００３１】
次いで、第１のバッファ層がエッチングされることにより、エッチ深さが、バッファがＡｌＮであり且つ基板がサファイアである場合は０．４μｍ以上であり、又は第１のバッファ層が１つ又は複数のＡｌＩｎＧａＮ層から成る場合は０．１μｍ以上のトレンチのパターンが形成される。ウェハをパターン化した後、第１のバッファに第２のバッファが適用される。一実施形態では、第２のバッファ層が、エッチングされた部分の上に合体する。次に、テンプレート１０に紫外発光構造１２が適用される。まず、第１のタイプの導電率を有する半導体層が施され、次いで、発光スペクトルが１９０ｎｍ〜３６９ｎｍの範囲である量子井戸領域を形成するいくつかの層が適用される。次に、第２のタイプの導電率を有する、別の半導体層、又は場合によっては２つ以上の半導体層が適用される。この構造に２つの金属コンタクトが適用される。第１のタイプの導電率を有する半導体層にリーク抑制層９８０が施され、第２のタイプの導電率を有する他方の半導体層に金属コンタクト９９０が適用されることにより、ＬＥＤが完成する。これらの層のそれぞれについては後に詳細に説明する。電荷拡散層は、ＬＥＤの最も遠い内向限界から電流拡散長以下の距離９８１だけ離隔されている。
【００３２】
層及びバッファ層のいくつかは、パルス原子層エピタキシ（ＰＡＬＥ）成長技法を使用して適用され、パターン化ウェハ上に成長する層は、パルス横方向成長技法を使用して成長する。サファイアであることが好ましい基板以外の各層は、ＩＩＩ族窒化物、好ましくはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される。パルス横方向成長技法を採用する際、前駆体ソースは、有機金属ソース（好ましくは、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム）、アンモニア、キャリアガス（水素及び／又は窒素等）、並びにオプションで、シラン及び／又はビスシクロペンタジエニルマグネシウム等のドーピングソースを含む。
【００３３】
図１〜図３は、構築中の本ＬＥＤのテンプレート１０の様々な実施形態を示す。図１に示すように、基板１００の上に、第１のバッファ層３０１を成長させる。サファイアが好ましい基板である。第１のバッファ層３０１は、ＩＩＩ族窒化物材料、好ましくはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される。代替的に、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、第１のバッファ層３２１は、実際には複数の下位層から成ってもよい。図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、それぞれＩＩＩ族窒化物材料、好ましくはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の下位層３０１、３０２、３０３、３０４を使用する、第１のバッファ層３２１、３２１’、及び３２１’’の３つの異なる実施態様を示している。下位層３０１は、好ましくはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される。下位層３０２は、好ましくはＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子である。下位層３０３は、好ましくは非ドープＡｌＩｎＧａＮであり、下位層３０４はケイ素でドープされたＡｌＩｎＧａＮである。図２Ａのバッファ層３２１は、下位層３０１及び３０２を備える。図２Ｂのバッファ層３２１’は、下位層３０１、３０２、及び３０３を備える。図２Ｃのバッファ層３２１’’は下位層３０１、３０２、３０３、及び３０４を備える。
【００３４】
第１のＩＩＩ窒化物バッファ層３２１を、使用される層の組成及び順序に応じて、パルス原子層エピタキシ（ＰＡＬＥ）技法及び従来の有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）の組合せを使用して、基板１００上におよそ０．１μｍ〜５μｍ厚さまで成長させる。第１のバッファ層３２１は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る少なくとも１つの下位層から形成されることが好ましい。
【００３５】
次に、最終的なＬＥＤエピ層の一部にトレンチ形成する。トレンチ形成は、第１のバッファ層３２１で行われ、基板１００内に延在してもよい。トレンチ形成工程を、従来技術において十分に確立されている湿式エッチング工程又は乾式エッチング工程のいずれかと組み合わせて標準フォトリソグラフィック技法を使用して行う。しかしながら、トレンチは、従来技術よりもはるかに深くてもよい。特に、トレンチは、第１のバッファ層がＡｌＮから作製される場合、少なくとも０．４μｍ深さであり、第１のバッファ層３２１、３２１’、又は３２１’’が使用される場合、少なくとも０．１μｍ深さである。
【００３６】
トレンチ形成は、図３Ａ〜図３Ｃにおいて分かるように残っている材料の狭いストリップすなわちピラーを残して材料を選択的に除去することである。これらの狭いストリップは直線状でも湾曲していてもよいが、好ましくは平行であり、最も好ましくは、たとえばストライプ、円形、六角形、正方形、又は矩形等でパターン化されている。
【００３７】
パターン化の後、パルス横方向成長技法により第１のバッファに層４０１を適用し、それによりそれが横方向に成長する。合体するまで横方向成長が継続し、それによって、図３Ａ〜図３Ｃに示すようにストライプ間の橋渡しをする（bridging the gaps）ことが好ましい。層４０１は好ましくは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される。層４０１が完成すると、図３Ａ〜図３Ｃに示す３つの実施形態のそれぞれに対して示すように、追加の層を堆積することにより、第２のバッファ層４２１、４２１’、及び４２１’’の代替的な好ましい実施形態を完成させてもよい。
【００３８】
図３Ａは、第１のバッファ層３２１’’にトレンチ形成してピラー３２２を形成した後の、図２Ｃに示すエピ層構造の上部の第２のバッファ４２１の一実施態様を示す。いずれの第１のバッファ層３２１、３２１’、又は３２１’’を使用することも可能であるが、図面を簡略化するために、図３Ａ〜図３Ｃには、図２Ｃのエピ層、すなわち第１のバッファ層３２１’’を有するエピ層のみを示すことに留意されたい。図３Ｂ及び図３Ｃは、第２のバッファ４２１のさらなる実施態様、すなわちそれぞれ図３Ｂ及び図３Ｃにおける４２１’及び４２１’’を示し、図３Ａ〜図３Ｃのそれぞれでは下位層４０１、４０２、４０３、及び４０４が特定の組合せで示されている。図３Ａは、第２のバッファ層４２１が下位層４０１及び下位層４０２を有することを示している。図３Ｂは、下位層４０１、４０２、及び４０３を備える第２のバッファ層４２１’を示している。図３Ｃは、下位層４０１、４０２、４０３、及び４０４を備える第２のバッファ層４２１’’を示している。
【００３９】
図４は、図３Ｃのテンプレート１０を、ここでは、後述するように、その上の層状のＵＶ発光構造１２（ＵＶ発光構造は層５００、６００、７００、８００、及び９００を備える）と、金属コンタクト９８０及び９９０と共に示している。金属コンタクト９９０及び９８０並びに基板１００を除いて、すべての層がＩＩＩ窒化物材料から作製される。
【００４０】
次いで、バッファ層３２１及び場合によっては基板１００にトレンチ形成する。トレンチ形成後、バッファ層の上にＰＬＯＧ層４０１を成長させることにより、好ましくは、形成されたトレンチの上でウェハ面を合体させる（図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、及び図４参照）。垂直成長率に対して横方向成長率を増大させるように少なくとも１つの前駆体ソースをパルス化することにより、ＩＩＩ族窒化物ＰＬＯＧ層４０１が十分な厚さとなり、より好ましくは完全に合体し、転位密度がバッファ層３２１の転位密度よりも小さい領域を有するまで、ＰＬＯＧ層４０１を成長させる。
【００４１】
一実施形態では、バッファ層を合体させずに各ピラー上に成長させ、それによって共通基板上に分離したＬＥＤを形成する。この実施形態では、本明細書において参照される後続の各層は別個の層であり、隣接するピラー上の同一の層とは物理的に別個である。
【００４２】
その後、４０１と共に第２のバッファ４２１を形成する、追加のＡｌＩｎＧａＮ層を堆積させる。これらの層を、図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃにおいて４０２、４０３、及び４０４として示す。これらの層は、エピタキシャル層の全体的な歪みを最小限にするのに役立ち、且つ発光素子活性領域に対して有益な効果を有するエピタキシャル平坦化にも役立つ。
【００４３】
次いで、図４に示すように、第２のバッファ４２１の上に直接適用される、第１のタイプの導電率を有する別のＩＩＩ窒化物層５００で開始して、エピ層にＬＥＤ構造を追加し、好ましくは、ＡｌｘＩｎ１−ｘＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製されるｎ＋層を、量子井戸活性領域から放出される光に対して透過性であるように形成する。次いで、１つ又は複数の障壁下位層及び１つ又は複数の井戸下位層を備える別のＩＩＩ窒化物超格子層６００を形成し、障壁層及び井戸層は、障壁層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップよりも大きいように、それぞれ異なる組成を有する。障壁層及び井戸層の厚さは、１Å〜２００Åの間であるべきである。この井戸下位層は特定のバンドギャップを有し、優れた量子閉じ込めを有する領域を提供するように設計されており、そこでは、電子及びホールが、好ましくは放射性及び非放射性再結合で（しかしながら放射性再結合の方が非放射性再結合よりも優位である）、容易に結合する。量子井戸下位層は、１９０ｎｍ〜３６９ｎｍの範囲の光を放出する。両層５００及び６００には、ケイ素を使用して第１のタイプの導電率が与えられるか、又はケイ素、酸素、及び／又はインジウムの組合せを使用して共ドープされる。層５００は、バンドギャップが、ＰＬＯＧ層４０１よりも低いが量子井戸下位層及び障壁下位層６００よりも高い。実施態様によっては、井戸下位層は非ドープである。
【００４４】
活性領域層６００の上部に、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ電子障壁層７００を直接組み込み、７００のバンドギャップが障壁下位層６００のバンドギャップよりも大きいようにする。ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを使用する。７００の上部に２つの追加のｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層８００及び９００を形成し、それらの層のバンドギャップが各後続する層に対して低減するようにする。層８００は、１つの単一ＡｌＩｎＧａＮ層であってもよく、又は組成傾斜層、一続きの組成減少超格子（decreasing composition superlattices）、又はバンドギャップが低減するいくつかの別個の層から成ってもよい。
【００４５】
次いで、底部ｎ＋層にアクセスするために反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、メサ型ＬＥＤ、すなわち図４に示すタイプを製造してもよい。このタイプの素子の形状により、結果として活性領域の一部のみが低欠陥密度横方向成長「翼（wing）」領域を含むことに留意されたい。最後に、ｎ＋層及びｐ＋層の双方それぞれの上にプローブ金属導電パッド９８０、９９０を堆積する。ｎコンタクト及びｐコンタクトそれぞれに対する金属コンタクトとして、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ及びＮｉ／Ａｕを使用するが、ｎ金属コンタクトは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔａ、又はこれらの金属の任意の組合せから作製されてもよい。第２のコンタクト、ｐ＋層コンタクトは、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、ＩＴＯ、ＮｉＯ、ＰｄＯ、又は上述した金属の任意の組合せから作製されてもよい。これらのコンタクトを、空気、フォーミングガス、窒素、又はそれらの任意の組合せにおいてアニールしてもよい。一実施形態では、アニール温度サイクルは、温度範囲が６５０℃〜９５０℃である単一ステップである。別の実施形態では、アニーリングサイクルは多重ステップによるアニーリングを含んでもよい。個々のピラーの上部の第２の金属電極は、追加のチタン層及び金層を堆積することによって厚くされる。該第２の金属電極のアニーリングは窒素雰囲気内で行われる。別の実施形態では、アニーリングは、空気、酸素雰囲気においても行うことができる。
【００４６】
好ましいメサエッチングは、ｅビーム蒸着、スパッタリング等によって堆積することができる、チタン、ニッケル、及びプラチナを含むマスクを利用する。三塩化ホウ素ガス、塩素ガス、及びアルゴンガスはエッチングチャンバ内の好ましい材料を表す。反応性イオンエッチング又は乾式エッチングは、好ましくは誘導結合プラズマ又は反応性イオンプラズマを含む。この乾式エッチングは、塩素ガス、塩化ホウ素ガス、四塩化炭素ガス、メタンガス、フッ素ガス、アルゴンガス、又はこのようなガスの組み合わせを用いた多重ステップＲＦ出力変調を含む。
【００４７】
代替的な実施形態では、エッチングは、乾式エッチング、続いて湿式化学エッチングによって行うことができる。湿式化学エッチングの場合、素子を浸漬することができ、半導体層を、アセトン、トルエン、又はイソプロパノール等の有機溶液において煮沸することができる。半導体層は、王水、緩衝ＨＦ、ＨＦ、ＨＣｌ等の酸性溶液に浸漬することもできる。
【００４８】
代替的な構成では、構築後、研磨、エッチング、又はレーザを使用するリフトオフにより、基板を除去してもよく、次いで、ｎ層５００の裏面に金属コンタクト層を適用してもよい。この構成では、コンタクト９８０は、５００の上側ではなく裏面に位置し、ｐコンタクト９９０の下方に垂直に位置することができる。
【００４９】
本発明の、第２の電気コンタクトを形成する前の一実施形態を、図５において上面図で、図６において断面図で概略的に示す。上述した基板１０は、該基板１０に適用された第１の導電率の層６０００を備える。第１の導電率の層はｎ型層であることが好ましい。第１の導電率の層は共通組成のメサ６００１を有する。メサは層形成中に形成してもよく、メサ間のエリアをエッチングしてもよい。各メサの表面上に量子井戸６００３が存在する。量子井戸の表面上に第２の導電率の層６００５が存在する。認識されるように、第２の導電率の層は、第１の導電率の層の導電率と異なる導電率を有する。第１の導電率の層、量子井戸、及び第２の導電率の層を併せてＬＥＤを形成し、各層は、本明細書においてさらに説明するように複数の下位層を備えることができる。第２の導体６００７は、第２の導電率の層と電気的に接触している。電荷拡散層６００９は、第１の導電率の層に適用される。電荷拡散層は、間隙６０１１によってメサから離隔していることが好ましい。間隙６０１１は、非導電性材料を中に有してもよい。メサと電荷拡散層との間の離隔によって、製造中に電荷拡散層と量子井戸及び／又は第２の導電層との間の電気的接触が発生しないことが保証される。電荷拡散層と所与のＬＥＤの第２の導電層との間の電流は、該ＬＥＤを発光させることが明らかである。
【００５０】
メサの相当直径（マイクロピラーとも呼ばれる）は、好ましくは約５００μｍ以下である。相当直径は、測定されている形状の表面積に相当する表面積を有する円の直径である。
【００５１】
図７は、本発明の別の実施形態の概略断面図である。図７において、メサ間のエリアは不動態化材料（passivation material）６０１３を含み、該不動態化材料はリーク電流抑制層を形成する。素子は、リーク抑制層及び導電層が単一平面を形成するように平坦化され、第３の導電層６０１５が第２の導体６００７と接触するように適用される。第３の導電層は、電流が印加されると全てのＬＥＤが一斉に発光するように、連続した層とすることができる。代替的に、第３の導電層は選択されたＬＥＤと電気的に接触してもよく、それによってＬＥＤが個々に照明するか、又は選択された組合せで照明することが可能になる。第１の導体及び第２の導体が共通面において終端するように導電性ピラー６０１９が形成されることによって、さらに詳細に説明するようにフリップチップの実装が容易になる。
【００５２】
図８に特に好ましい実施形態が示される。図８において、図７の実施形態が熱キャリア（導電性基板７０００とも呼ばれる）上に実装された状態で示される。これはフリップチップ実装と呼ばれる。導電性基板７０００は、これに組み合わされる、電流をＬＥＤに提供するためのコンタクト７００１、及び７００２を有する。導電性基板は２つの主要な機能を提供する。導体はヒートシンクとして機能し、それによって熱がＬＥＤから消散することを可能にする。このことは当該技術分野において理解されるように多くの利点を有する。ＬＥＤが導電性基板上に搭載されると、ＬＥＤの形成のために使用された基板１０を線７００３に沿って除去し、それによって優れた発光特性を有するＬＥＤを形成することができる。特に好ましい熱キャリアは、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｃｕ、ＣｕＷ、又は銅合金を含む。好ましい一実施形態では、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、又はＣｕ自体等の新規な金属基板が使用される。これは、そのような横方向導電ＬＥＤに金属基板を使用する独自の方法である。フリップチップ実装は、金−スズ共晶はんだ結合及び金−金熱圧着を用いることが好ましい標準技法によって行うことができる。
【００５３】
不動態化材料は、２つの主要な利点を提供する。１つの利点は導体間の絶縁体としてのものである。第２の利点は、任意のボイドを充填することによって、平坦化後の面にわたる平滑な表面を可能にすることである。不動態化材料は、好ましくはポリマー、より好ましくは非導電性ポリマー、及び誘電体から選択される材料である。特に好ましいポリマーは、ＳＵ−８及びＢＣＢを含む。特に好ましい誘電不動態化材料は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素を含む。不動態化材料は、プラズマエンハンスト化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）又は化学気相成長法（ＣＶＤ）によって適切に堆積することができる。本明細書において、不動態化及び平坦化層は、リーク抑制層とも呼ばれる。
【００５４】
電流集中を回避するために、電荷拡散層は、ＬＥＤの最も遠い内向限界の電荷拡散距離内に存在しなくてはならない。最も遠い内向限界は、電荷拡散層と、該電荷拡散層平面内のＬＥＤとの間の、任意の方向における最も遠い距離である。一般的に、これはＬＥＤの真中部分となる。最も遠い内向限界は、電荷拡散層の複数のエリア間で等距離となることが最も好ましい。例として、ＬＥＤの周りに円配向の電荷拡散層を有する円形ＬＥＤは、ＬＥＤ内に中心点を有し、電荷拡散層から成る周囲円全体が該中心点から等距離にある。正方形ＬＥＤの場合、電荷拡散層の４つの点間で等距離である中心点が存在する。電荷拡散層内のボイドの外形がＬＥＤと同じ形状であることが最も有利である。
【００５５】
図９ａ〜図９ｆにおいて、ＬＥＤの様々な構成が示されている。ＬＥＤ形状は、円形、楕円形、長円形、矩形、三角形、多角形、又はそれらの組み合わせとすることができる。ＬＥＤは、そこからローブが延在する中心構造も備えることができる。たとえば、ＬＥＤは、円形又は弓形の延長部を有する中心部分を有することができる。形状は、本明細書においてより詳細に説明されるように、ＬＥＤの任意の部分が電荷拡散長よりも遠くなる事象の発生を最小限にするように選択される。さらに、ＬＥＤ形状は、ＬＥＤ間の最小距離を達成することができるか、又は所与のエリア内に最大数のＬＥＤを含むことができるように選択される。ＬＥＤは、好ましくはオーム抵抗を回避するのに十分な距離だけ離隔される。
【００５６】
電流拡散長ＬＳは、ＬＳ＝（Ｒｃ／Ｒｓｈ）１／２として定義され、式中、Ｒｃは、単位面積あたりの、コンタクト及び最上ｐ層の拡散成分を含む総「垂直」抵抗であり、Ｒｓｈは、ボトムｎ層のシート抵抗である。標準的な２８０ｎｍＬＥＤの場合、Ｒｃ≒１．３５×１０−３Ωｃｍ２及びＲｓｈ＝１０５Ω／ｃｍ２である。したがって、ＬＳは高作動電流において３０μｍ〜４０μｍにしかならない。
【００５７】
ボトムｎ＋−ＡｌＧａＮは、好ましくは塩素プラズマを使用した反応性イオンエッチングによってアクセスされる。ｎオームコンタクトは、好ましくは、リフトオフ技法を使用してパターン化及び堆積されたＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕを含む。ｎオームコンタクトは、各ピクセル間の領域に存在し、電流集中を回避する。
【００５８】
基板は、好ましくはサファイアから作製されるが、炭化ケイ素、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ケイ素、ＧａＡｓ、ＬｉＡｌＯ３、ＬｉＧａＯ３、ＺｎＯ、又は金属から作製されてもよい。基板は、好ましくは、Ｃ平面、Ａ平面、Ｍ平面、又はＲ平面に沿った結晶配向を有すると共に、その軸からの０．０度〜１０度の範囲の配向ずれを有する。
【００５９】
平坦化は、ピラー間の充填された空間を用いた標準的なスピン・オン・ガラスプロセスによって達成することができる。このステップには、標準的なｅビーム（電子ビーム）蒸着を使用して各ピクセルのｐ型ＧａＮ表面へのオームコンタクトメタライゼーションを堆積すること、及びＮｉ／Ａｕを金属として利用することが続く。Ｔｉ／Ａｕを使用して、表面上に相互接続プローブブリッジコンタクトのアレイを堆積する。
【００６０】
本発明を用いて、外周の長いＬＥＤの全てピクセルが均一に照明される。このことは電流集中が存在していないことを示す。
【００６１】
深ＵＶ  ＬＥＤの高作動電圧及び高直列抵抗は、そのような短波長発光に必要とされる高アルミニウム含有エピ層のドープ効率が不十分であること又は低いことに起因する。直列抵抗は、ジュール加熱による活性接合の温度上昇をさらに増大させ、次いで、その結果として素子性能を劣化させる。発光波長が小さくなり、素子面積が増大するにつれ、問題は重大になる。素子活性面積の増大は、高アルミニウム含有層内の重大な集中に起因して悪影響を有する。本発明はこの問題を解決する。
【００６２】
本発明は、直列抵抗を低減し、その結果ジュール加熱が減少する。マイクロピラー設計において、直径は電荷拡散長以内である。たとえば、２８０ｎｍＵＶ  ＬＥＤの場合、メサ直径は、好ましくは約２５μｍ〜３０μｍであり、これは推定される電流拡散長４０μｍよりも小さい。さらに、マイクロピラーはｎ型電極に包囲され、ピラーエッジとｎ型電極エッジとの間は短い距離だけ離隔される。これらのマイクロピラーはｎ型電極のプールに浸され、直径は電流拡散長未満であるため、電流集中問題は排除される。さらに、新規の平坦な電極を有する各ピラーをリーク抑制層の上で相互接続することによって、総素子面積を増大させることができ、それによって素子抵抗及び作動電圧を低減させる。この低減の結果として、素子は従来のＵＶ  ＬＥＤよりもはるかに低温であり、このことは、これらのＵＶ  ＬＥＤをはるかに高い駆動電流に対しバイアスする際に役立つ。
【００６３】
紫外発光ダイオード及びレーザダイオードの技術分野における当業者には、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書で説明した好ましい実施形態に対して多くの変更及び置換を行うことができることが明らかであろう。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月7日(2010.4.7)
【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】
紫外発光素子であって、
トレンチ形成されている第１のバッファ層と、前記第１のバッファ層の上に合体されている第２のバッファ層（前記第２のバッファ層はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を含む）とを備えるテンプレートと、
前記テンプレート上の第１の導電率を有する第１の層（ここで、前記第１の層は複数のメサから成るアレイを備える）と、
前記複数のメサの各メサ上の発光量子井戸領域と、
前記量子井戸領域の各量子井戸領域上の第２の導電率を有する第２の層と、
前記第１の層と電気的に接続している第１の電気コンタクトと、
前記第１の電気コンタクトと電気的に接続している電流拡散層（ここで、該電流拡散層は前記第１の層の任意の部分の電流拡散長よりも遠くない）と、
各前記第２の層に電気的に接続している第２の電気コンタクトと、
前記複数のメサの各前記メサ間のリーク抑制層と、
前記複数のメサの前記各メサ上の前記第２の電気コンタクトと電気的に接続している第３の電気コンタクトと、
を備え、それによって、前記第１の電気コンタクト及び前記第３の電気コンタクトに電位が印加されると、該素子が紫外光を発光する、紫外発光素子。
【請求項２】
紫外発光素子であって、
基板に、前記第１のバッファ層を適用するステップと、
前記第１のバッファ層内にトレンチを形成するステップと、
パルス横方向成長技法を使用して前記第１のバッファ層に第２のバッファ層を適用するステップと、
前記第２のバッファ層上に超格子層を適用するステップ（該超格子層はテンプレートを形成する）と、
前記テンプレート上に前記第１の層を形成するステップと、
前記第１の層上に前記量子井戸を形成するステップと、
前記量子井戸上に第２の層を形成するステップと、
前記第１の層の上に前記電荷拡散層を形成するステップ（ここで、該電荷拡散層はボイドを有し、該ボイドを前記メサが貫通しており、該電荷拡散層は、各メサの最も遠い範囲から電流拡散長以下である距離だけ離隔している）と、
前記第２の電気コンタクト及び前記第３の電気コンタクトを形成するステップと、
を含む、紫外発光素子を作製する方法によって得られる、
請求項１に記載の紫外発光素子。
【請求項３】
前記第１のバッファ層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から作製される多重組成層を備え、該多重組成層の各組成層はケイ素及びインジウムを用いてドープされるか非ドープである、請求項１又は２に記載の紫外発光素子。
【請求項４】
前記第１のバッファ層はＡ１ＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（式中、０．０１＜ｘ≦１、０．０２≦ｙ≦１、０．０１≦ｘ＋ｙ≦１）である、請求項１〜３のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項５】
前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、ＩＩＩ族材料及びＶ族材料がパルス成長法を介して注入されるように堆積され、該ＩＩＩ族材料及び該Ｖ族材料は、定常流を有するのではなく、連続的にパルス化されるか、又はＩＩＩ族ソースパルスがＶ族ソースパルスがない状態で部分的にオンになるか若しくはＶ族ソースパルスと部分的に融合するようにパルス化される、請求項１〜４のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項６】
前記第２のバッファ層は少なくとも１以上の超格子層を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項７】
前記第１の電気コンタクトは、第１の導電率を有する前記第１の層によって支持され、前記テンプレートは基板をさらに備え、前記第１のバッファ層は該基板と前記第２のバッファ層との間にある、請求項１〜６のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項８】
前記基板は、Ｃ平面、Ａ平面、Ｍ平面、又はＲ平面に沿った結晶配向を有する、請求項７に記載の紫外発光素子。
【請求項９】
前記第１のバッファ層はＡｌＮから作製され、少なくとも０．１μｍ以上１ｍｍ以下の深さまで選択的にトレンチ形成される、請求項１〜８のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項１０】
前記発光構造は、量子井戸領域であって、
Ａ１ＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮを含む少なくとも１以上の層を含む量子井戸であって、式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｘ＋ｙ≦１であり、表面及びバンドギャップを有する、量子井戸と、
前記量子井戸の前記表面上の障壁層であって、前記量子井戸の前記バンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、Ａ１ＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮを含み、式中、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｘ＋ｙ≦１であり、前記量子井戸領域は該障壁層と共に開始及び終了する、障壁層と、
の交互の層を含む、量子井戸領域を備える、請求項１〜９のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項１１】
前記メサは、円形、長円形、楕円形、三角形、及び多角形から選択される形状を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項１２】
前記メサは１０μｍ〜１ｍｍの相当直径を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載の紫外発光素子。
【請求項１３】
前記マイクロピラーは５００μｍ以下の直径を有する、請求項１〜１２のいずれかに記載の紫外放射素子。
【請求項１４】
前記メサは、反応性エッチング、誘導結合プラズマ、湿式化学エッチング、又はそれらの組み合わせから選択された方法によって形成される、請求項１〜１３のいずれかに記載の紫外放射素子。
【国際調査報告】
2010537408.tif 000012
2010537408.tif 000013