(57)【要約】【課題】  成長基板を除去することにより製造された共振キャビティIII族窒化物発光装置を提供すること。【解決手段】  半導体発光装置は、ｎ型領域と、ｐ型領域と、該ｎ型領域およびｐ型領域の間に配置された発光領域とを含んでいる。ｎ型領域、ｐ型領域および発光領域は、頂面および底面を有するキャビティを形成する。該キャビティの頂面および底面は、粗い表面を有してよい。例えば、該表面は複数の谷によって分離された複数のピークを有している。幾つかの実施形態においは、当該装置にエッチング停止層を組込み、次いで該エッチング停止層上で停止するプロセスによって、当該装置の層を薄膜化することにより、前記キャビティの厚さは一定に維持される。【選択図】          図１８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物発光装置であって：
ｎ型領域と；
ｐ型領域と；
前記ｎ型領域およびｐ型領域の間に配置された発光領域と
を具備してなり、
前記ｎ型領域、ｐ型領域および発光領域がキャビティを形成し、該キャビティは頂面および底面を有し、該頂面および該底面の各々が、複数の谷によって分離された複数のピークを含んでなる装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、谷の底とピークの頂部との間の距離が15 nm〜100 nmである装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、最も近隣にある二つの谷の間の距離が100ミクロン未満である装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記キャビティの如何なる点においても、該キャビティの厚さはλ/8未満で変化し、ここでのλは、前記キャビティ内において、前記発光領域によって放出される光の波長である装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって：更に、
前記ｎ型領域に近接して配置された第一のミラーと；
前記ｐ型領域に近接して配置された第二のミラーと；
を具備してなる装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置であって、前記第一のミラーは、誘電性の分布されたブラッグ反射体を含んでなる装置。
【請求項７】
請求項５に記載の装置であって、前記第二のミラーは反射性金属層を含んでなる装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置であって、前記ミラーは銀を含んでなる装置。
【請求項９】
請求項５に記載の装置であって、前記第二のミラーは、誘電性の分布されたブラッグ反射体を含んでなる装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の装置であって、前記第一のミラーは複数の領域に分割され、これら領域は第一のコンタクトによって相互に分離される装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって、
前記第二のミラーは複数の領域に分割され、これら領域は第二のコンタクトによって相互に分離され、
また前記複数の第一のミラー領域が、前記複数の第二のミラー領域と整列される装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、前記第一のコンタクトと前記第二のコンタクトの間におけるｎ型領域の一部に、水素がインプラントされる装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の装置であって、前記複数の領域の各領域が、約50ミクロン〜約150ミクロンの長さを有する装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載の装置であって、前記領域を分離する第一のコンタクトの幅が、約１ミクロン〜約１０ミクロンである装置。
【請求項１５】
請求項５に記載の装置であって、前記第一のミラーの少なくとも一部が、前記第二のミラーの少なくとも一部の上に重なっている装置。
【請求項１６】
請求項５に記載の装置であって、更に、前記ｎ型領域と前記第一のミラーとの間に配置された導電性材料の層を具備する装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、前記導電性材料が酸化インジウム錫を含んでなる装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の装置であって、前記頂面と前記底面との間の材料の厚さが３ミクロン未満である装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の装置であって、前記頂面と前記底面との間の材料の厚さが１ミクロン未満である装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の装置であって、前記頂面と前記底面との間の材料の厚さが０．５ミクロン未満である装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の装置であって、更に、前記ｎ型領域に形成された複数のエッチングビアを具備する装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置であって、前記エッチングビアが、約０．１ミクロン〜約２ミクロンだけ離間されている装置。
【請求項２３】
請求項２１に記載の装置であって、前記エッチングビアが、それぞれ約０．１ミクロン〜約２．５ミクロンの深さを有する装置。
【請求項２４】
請求項１に記載の装置であって、前記頂面および前記底面が共振キャビティを形成し、該キャビティ内の電界強度が定在波を形成する装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の装置であって、前記発光領域の少なくとも一部が、前記電界強度の最大値近傍に位置する装置。
【請求項２６】
半導体発光装置を形成する方法であって：該方法は、
成長基板上に、下記を含んでなるエピタキシャル構造を成長させることと；
・エッチング停止層；および
・発光層を含むIII族窒化物エピタキシャル層のスタック；
（該スタックは前記エッチング停止層を覆って成長される）
ホスト基板を前記構造に結合させることと；
前記成長基板を除去することと；
前記エッチング停止層上で終了するプロセスによって、前記構造を薄膜化することと；
を含んでなる方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって、前記薄膜化することは光電気化学エッチングにより薄膜化することを含み、前記エッチング停止層はＡｌＧａＮを含んでなる方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載の方法であって、前記薄膜化することは光電気化学エッチングにより薄膜化することを含み、前記エッチング停止層はＩｎＧａＮを含んでなる方法。
【請求項２９】
請求項２６に記載の方法であって、前記薄膜化した後の前記構造の厚さは、１ミクロン未満である方法。
【請求項３０】
請求項２６に記載の方法であって、前記薄膜化した後に、何れの点における構造の厚さも平均厚さから５％未満で変動する方法。
【請求項３１】
請求項２６に記載の方法であって、前記成長基板を除去することは、前記成長基板とエッチング停止層との間に配置された犠牲層をエッチング除去することを含んでなる方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法であって、前記エッチングは、光電気化学エッチングによるエッチングを含んでなる方法。
【請求項３３】
請求項２６に記載の方法であって、
前記成長基板はＳｉＣの層およびＳｉの層を含んでなり；
前記スタックは前記ＳｉＣ上に成長され；
前記成長基板を除去することは、前記Ｓｉをエッチング除去することを含んでなる方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、前記成長基板は、更に、前記ＳｉＣの層と前記Ｓｉの層の間に配置されたシリコン酸化物の層を含んでなる方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法であって、前記成長基板を除去することは、前記Ｓｉの層および前記シリコン酸化物の層をエッチング除去することを含んでなる方法。
【請求項３６】
請求項２６に記載の方法であって、更に、薄膜化した後に前記エッチング停止層を除去することを含んでなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む半導体発光装置は、現在入手可能な最も効率的な光源の一つである。可視スペクトルの全体に亘って動作できる高輝度発光装置の製造において、現在興味をもたれている材料系には、III−Ｖ族半導体、特に、III族窒化物（III−窒化物）材料とも称されるガリウム、アルミニウム、インジウムおよび窒素の二元合金、三元合金および四元合金が含まれる。典型的には、III族窒化物発光装置は、有機金属化学成長（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）、また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族窒化物または他の適切な基板上に、異なる組成およびドーパント濃度の半導体層スタックをエピタキシャル成長させることによって製造される。サファイアは、その広範な工業的な利用可能性および使用が比較的容易であることのために、成長基板としてしばしば使用される。成長基板上に成長されたスタックは、典型的には、基板を覆って形成された例えばＳｉをドープされた１以上のｎ型層、該ｎ型層を覆って形成された発光層または活性領域、および該活性層を覆って形成された、例えばＭｇをドープされた１以上のｐ型層を含んでいる。
【０００３】
サファイアは導電性ではないので、ｐ側およびｎ側の活性領域に対するコンタクトは、当該装置の頂部側に形成しなければならず、活性領域およびｐ型領域の一部をエッチング除去して、埋め込まれたｎ型領域の一部を露出させることが必要とされる。従って、この装置は、ｎコンタクトおよびｐコンタクトを分離する狭い絶縁ブロック層を備えた平坦でない表面を有しており、パッケージが困難な形状をしている。また、活性領域の多くの面積がｎコンタクトおよび絶縁領域のために失われ、フィルファクタ（fill factor）が低下する。
【０００４】
米国特許６，２８０，５２３号には、成長基板を除去することによって形成されたIII族窒化物装置が記載されている。エピタキシャルスタックは、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰまたはＳｉのホスト基板にウェハ結合される。次いで、成長基板はレーザ溶融、または犠牲層の選択エッチングにより除去される。成長基板を除去することは、共振キャビティ装置を形成するために、活性領域を、二つの誘電性の分布されたブラッグ反射体（dielectric distributed Bragg reflector）の間に配置することを可能にする。共振キャビティを使用することにより、放出された光の方向制御を増大させ、当該装置から抽出される光量を増大させ、また、当該装置に対して直角に放出される光の分光学的純度を増大させることができる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許６，２８０，５２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
当該技術において、改善されたIII窒化物共振キャビティ構造が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、半導体発光装置は、ｎ型領域と、ｐ型領域と、該ｎおよびｐ型領域の間に配置された発光領域とを含んでいる。このｎ型領域、ｐ型領域および発光領域は、頂面および底面を有するキャビティを形成する。該キャビティの頂面および底面は、両者とも粗い表面を有していてよい。例えば、該表面は、複数の谷で分離された複数のピークを有していてよい。幾つかの実施形態では、エッチング停止層を当該装置に組み込み、次いで、前記エッチング停止層で終了するプロセスにより該装置の前記層を薄くすることによって、当該キャビティの厚さは一定に維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施形態に従えば、改善されたIII族窒化物共振キャビティ装置が提供される。成長の際にエッチング停止層を組込むことにより、一定のキャビティ厚さが形成される。本発明の幾つかの実施形態においては、光抽出を増大させるために、当該装置にトレンチが形成される。幾つかの実施形態においては、グリッドが設けられる。
【０００９】
図１および図２は、本発明の実施形態に従う共振キャビティ型のIII族窒化物装置を示す断面図および平面図である。活性領域１１２が、ｎ型領域１０８とｐ型領域１１６の間にサンドイッチされている。図１および図２の実施形態は、ｎ型ＤＢＲ１１に覆われていないｎ型領域１０８の一部に形成されたｎコンタクトを示しており、ここを通して、光が装置から抽出される。反射性のｐコンタクト１２が、ｐ型領域１１６上に形成されている。ｐコンタクト１２は、直接に、または任意の結合層を介して、エピタキシャル層２０をホスト基板１６に結合する。ホスト基板１６は半導体であってよく、ホスト基板の表面にはオーミックコンタクト１８を必要とする。本発明の幾つかの実施形態において、図１および図２に示した装置は大接合装置であり、これは当該装置が少なくとも２００×２００μｍ2の面積を有し且つ少なくとも１００Ａ／ｃｍ2の電流密度で動作することを意味する。
【００１０】
Ｎ-コンタクト１０は、図２に示すように抽出表面を取囲んでもよく、または別の構成を有していてもよい。コンタクトのパターンは、ｐコンタクト１２およびｎコンタクト１０上の如何なる点の間の最大距離も、特定の装置の最大電流広がり距離特性より小さくなるように選択されてよい。最大電流広がり距離は、例えば、約２０μｍ〜約２５０μｍで変動してよい。導電性が増大すれば、この広がり距離は増大する。エピタキシャルスタックの厚さが減少すれば、この広がり距離は減少する。幾つかの実施形態では、ＤＢＲ１１および反射性ｐコンタクト１２で形成されるキャビティの中に電流を強制するために、ｎコンタクト１０の下のエリアにおいてｐ型領域１１６からの電流はブロックされる。この電流のブロックは、ｎコンタクト１０の下に位置するｐ型領域１１６のエリアに、例えば１０ｋｅＶのエネルギーおよび２×１０14ｃｍ2のドーズ量でＨ+をインプラントし、高抵抗領域を形成することによって達成してよい。或いは、ブロックすべきエリアを、Ｔｉのような非オーミック金属、またはシリコンの酸化物もしくは窒化物のような絶縁体で覆ってもよい。
【００１１】
反射性ｐコンタクトと活性領域との間の距離は、当該装置からの抽出を最大にするように選択されてよい。一般に、キャビティ内の電界強度は定在波を形成する。活性領域の中心は、電界強度の最大値付近に位置している。反射性ｐコンタクトと活性領域との間の最適分離の計算は、「改善された光抽出のためのフリップチップ発光ダイオードにおける量子壁の選択的配置」と題する米国出願第１０／１５８，３６０号に更に詳細に記載されており、これを本明細書の一部として援用する。
【００１２】
共振キャビティは、ＤＢＲ１１と、該ＤＢＲからｐ型領域の反対側にある反射層（典型的にはｐコンタクト１２）によって形成されるが、この反射層は、任意の結合層１４またはホスト基板１６であってもよい。共振キャビティは、優れた光制御を提供する。「光抽出に対する平面微小キャビティ効果の衝撃…第Ｉ部：基本概念および分析的傾向」、H Benisty, H. DeNeve,and C. Weisbuch, IEEE Journal Of Quantum Electronics, Vol. 34, No.9, September 1998, pp.1612-1631に記載されているように、共振キャビティは潜在的に高い内部効率、高い抽出効率、並びに放出された光の方向、即ち、放射パターンおよびスペクトルに対する大きな制御を提供する。当該装置構造の主な変数は、頂部鏡および低部鏡の反射率、並びに該構造の厚さである。一般に、キャビティが薄いほど導波モードの数は少ない。これらモードの光は結晶中でトラップされ、熱として失われる。この再結合プロセスを遮断すれば、結晶の逃散コーン内で発生する使用可能な光を発生させるために、更に多くの電子／正孔対が利用可能になる。従って、ウェハは、良好な装置収率および充分な電流広がりと両立させて、可能な限り薄く、１μｍ未満に加工される。多くの実施形態において、共振キャビティを形成するエピタキシャル層２０の厚さは、約１μｍ未満、多くの場合は０．５〜約０．７μｍである。
【００１３】
スペクトル幅が約１４０ｍｅＶの典型的な装置について、発生した光の抽出効率は、キャビティの厚さを微細に調節することによって増大させることができる。結晶の内部において、発生した光の角度は、波長およびキャビティ厚さの鋭敏な関数である。放射パターンは、キャビティ厚さを注意深く選択することによって、結晶の逃散コーン、即ち、垂線から２５°未満に適合させることができる。従って、上記で述べた１μｍ未満の厚さ以内の要件は、当該装置を横切る光学厚さが、抽出効率または表面輝度を最適化するための望ましい共振に対応するとの追加の要件である。典型的に言えば、共振は、１５ｎｍ、例えば５７０＋／−１５ｎｍまたは６７４＋／−１５ｎｍの厚さ以内に制御することを必要とする。
【００１４】
望ましいキャビティ厚さを達成するために、エピタキシャル層は一般に、成長させた後に望ましいキャビティ厚さまで薄膜化される。エピタキシャル層は、従来のエッチングプロセスまたは化学機械的研磨によって薄膜化すればよい。図１７は、当該装置の一部を示しており、ここではキャビティが化学機械的研磨によって薄膜化される。このような従来の薄膜化プロセスは、二つの問題を生じる。第一に、従来のプロセスでは、効率的な共振キャビティを作製するために必要な１５ｎｍの精度で、薄膜化プロセスの停止点を制御するのが困難である可能性がある。
【００１５】
第二に、エピタキシャル層が成長される成長基板の間、およびエピタキシャル層自身の間での格子の不一致のために、平坦なIII族窒化物層を成長させるのが困難である。結晶欠陥の存在は、一般に、図１７の活性領域１１２によって示されるように、不均一な表面を備えたIII族窒化物層を生じる。III族窒化物層の表面は、谷で分離されたピークを含む断面を有し得る。「ピーク」は、個々の結晶面間のステップ７で形成された「谷」により分離された、傾斜した結晶面５である。結晶面５は、例えば１〜１５０ミクロンの長さ、多くは約１００ミクロンの長さである。ステップ７は、例えば約λ／４の高さを有してよく、ここでのλは、活性領域１１２により放出される光の結晶中での波長である。例えば、ステップ７は、約１５ｎｍ〜約１００ｎｍの高さを有してよい。領域１０８、１１２、１１６は、これら領域内での歪みが、活性領域１１２とｐ型領域１１６の間の界面、および活性領域１１２とｎ型領域１０８の間の界面に示されるように、それぞれが同じピーク／谷の表面を有するように充分に薄い。上記で述べた従来の薄膜化プロセスは、典型的には、ｎ型領域１０８とミラー１１の界面に示したような平坦な表面を生じる。従って、従来のプロセスで共振キャビティを形成すると、一つの不均一な表面（成長から生じるｐ型領域１１６およびｐコンタクト１２の間の界面）と、一つの平坦な表面（エッチングまたは化学機械的研磨から生じるｎ型領域１０８とミラー１１の間の界面）とを備えたキャビティを生じる。この共振キャビティの両側表面における相違は、矢印３および４に示されるように、キャビティ厚さの変動をもたらす。その結果、キャビティの一部だけしか適切に調節されない。このような変動は、当該装置の効率を低下させる可能性がある。
【００１６】
本発明の実施形態に従えば、成長の際にエピタキシャル層の中にエッチング停止層を組込むことによって、共振キャビティの厚さは一定に維持される。エッチング停止層を、共振キャビティを形成する層に対して共形（conformal）にするために、エッチング停止層は、該キャビティを形成するエピタキシャル層の直前、またはその１ミクロン以内で成長される。エッチング停止層を覆って成長されるエピタキシャル層は薄いので、それらはエッチング停止層の表面を維持して、一定の共振キャビティ厚さを生じる。当該装置は、エッチング停止層の上で終止するプロセスによって薄膜化され、頂部キャビティ表面は低部キャビティ表面と同一なので、一定の厚さをもったキャビティを生じる。図１８は、キャビティ層の前に成長されたエッチング停止層で停止するプロセスによって、キャビティが薄膜化された装置の一部を示している。図１８に示すように、キャビティの両表面、ｎ型領域１０８とミラー１１の間の界面、およびｐ型領域１１６とｐコンタクト１２の間の界面は同じ表面形状を有しており、一定の厚さのキャビティをもたらす。幾つかの実施形態では、キャビティの如何なる点においても、キャビティの厚さはキャビティの平均厚さからλ／８未満、または該キャビティの平均厚さから５％未満で変動する。
【００１７】
一定のキャビティ厚さをもった装置は、図３に示した方法によって製造すればよい。工程３１においては、エピタキシャル層２０が従来の成長基板上に成長される。次いで、工程３３において、該エピタキシャル層がホスト基板に結合され、工程３５において、該成長基板を除去できるようになっている。該エピタキシャル層は工程３７において薄膜化され、次いで工程３９において、エピタキシャル層の露出表面に、コンタクトおよび任意のミラーが形成される。
【００１８】
図４は、図３の工程３１をより詳細に示している。サファイア、ＳｉＣ、またはＧａＮのような基板４０の上に、図１の装置のエピタキシャル層２０が成長される。例えばバッファ層または核形成層を含んでよい任意の調製層４１を、基板４０上に最初に成長させて適切な成長基板を提供してもよい。次いで、一以上のエッチング停止層４２を成長させてよい。次いで、エッチング停止層４２を覆って、エピタキシャル層２０が望ましいキャビティ厚さにまで成長される。エピタキシャル層２０は、ｎ型領域１０８、活性領域１１２およびｐ型領域１１６を含んでいる。通常はｎ型領域が最初に成長され、続いて、活性領域およびｐ型領域が成長される。反射性のｐコンタクト１２が、ｐ型領域１１６の表面上に形成される。ｐコンタクト１２は単一層であってもよく、または接着層、オーミックコンタクト層、反射層、およびガード金属層のような複数の層を含んでいてもよい。反射層は、通常は銀またはアルミニウムである。ガード金属は、例えば、ニッケル、チタンまたはタングステンを含んでよい。このガード金属は、反射金属層（特に、銀の反射層の場合）がマイグレートするのを防止するように、またエピタキシャル構造をホスト基板に結合するために使用する結合層１４Ａのための接着層を与えるように選択されてよい。
【００１９】
図５は、エピタキシャル層をホスト基板に取り付ける図３の工程３３を、更に詳細に示している。結合層１４Ａおよび１４Ｂ（典型的には金属）は、エピタキシャル構造とホスト基板との間を熱圧縮結合させるための順応材料として働く。適切な結合層金属の例には、金および銀が含まれる。銀が使用されるならば、ｐコンタクト１２におけるガード金属は省略してよい。或いは、１４Ａおよび１４Ｂは、高温で結合するときに共晶温度に合致して、結合する間に１４Ａおよび１４Ｂが溶融するような金属の混合物であることができる。ホスト基板１６は、成長基板が除去された後のエピタキシャル層に対する機械的支持を提供し、またｐコンタクト１２への電気的接点を提供する。ホスト基板１６は、導電性であるように（即ち、約０．１Ωｃｍ未満）、熱伝導性であるように、エピタキシャル層に一致した熱膨張係数を有するように、および強いウェハ結合を形成するのに充分に平坦である（即ち、約１００ｎｍ未満のＲＭＳ粗さをもつ）ように選択される。適切な材料には、例えば薄いＣｕ箔、Ｍｏ、Ｃｕ／Ｍｏ、およびＣｕ／Ｗのような金属；例えばＰｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇを含む金属コンタクト（図６の層４６および１８）を備えた半導体、例えばオーミックコンタクトを備えたＳｉおよびオーミックコンタクトを備えたＧａＡｓ；およびＡｌＳｉＣまたはコバルトダイアモンドのような金属／セラミック複合体が含まれる。下記の表Ｉは、幾つかの適切なホスト基板の特性、並びに比較のためにＧａＮおよびＡｌ2Ｏ3の特性を列記している。
【００２０】
【表１】
2005347747.tif 000003
【００２１】
ホスト基板構造４９およびエピタキシャル構造４８は、高温および高圧で一緒に加圧されて、結合層１４Ａおよび１４Ｂの間に耐久性の金属結合を形成する。幾つかの実施形態において、結合は、エピタキシャル構造を備えたウェハを個々の装置にダイシングする前に、ウェハスケールで行われる。結合のための温度および圧力の範囲は、得られる結合の強度によってその下限が制限され、ホスト基板構造とエピタキシャル構造の安定性およびＣＴＥの不一致によってその上限が制限される。例えば、高温および／または高圧は、構造４８におけるエピタキシャル層の分解、ｐコンタクト１２の剥離、拡散障壁（例えばｐコンタクト１２における）の破損、エピタキシャル層中の成分材料の脱ガス化、およびウェハの反りを生じる可能性がある。適切な温度範囲は、例えば、約２００℃〜約５００℃である。適切な圧力範囲は、例えば、約１００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉである。
【００２２】
図６は、図３における工程３５の、サファイア成長基板を除去する方法を示している。サファイア基板４０とIII族窒化物層４５の間の界面部分は、サファイア基板を通して、高フルーエンスの紫外線レーザ７０に露出されるが、該紫外線レーザはステップおよび反復パターンでパルス化され、または連続的な運動と同期して点火されたものである。レーザの光子エネルギーは、サファイア（幾つかの実施形態ではＧａＮ）に隣接したIII族窒化物層のバンドギャップよりも大きく、従って、パルスエネルギーは、サファイアに隣接したエピタキシャル材料の最初の１００ｎｍ以内で効果的に熱エネルギーに変換される。充分に高いフルーエンス（即ち、約１．５Ｊ／ｃｍ2より大）で、またＧａＮのバンドギャップより大きく且つサファイアの吸収エッジより小さい光子エネルギー（即ち、約３．４４〜約６ｅＶ）において、前記最初の１００ｎｍ以内の温度は、ナノ秒のスケールで１０００℃よりも高い温度にまで上昇し、これはＧａＮをガリウムおよび窒素ガスに解離させて、エピタキシャル層４５を基板４０から放出させるために充分に高い。この得られた構造は、ホスト基板構造４９に結合されたエピタキシャル層４５を含んでいる。
【００２３】
レーザパルスに露出させると、露出された領域から外側へと移動する大きな温度勾配および機械的衝撃波を生じて、エピタキシャル材料内に、該エピタキシャル材料のクラックおよびウェハ結合１４の損傷をもたらす熱的および機械的歪みをもたらし、これは基板除去プロセスの収率を制限する。この熱的および機械的歪みによって生じる損傷は、エピタキシャル構造を、サファイア基板まで、またはエピタキシャル構造の適切な深さまで下方にパターンニングして、ウェハ上の個々の装置の間にトレンチを形成することによって減少させることができる。このトレンチは、ウェハがホスト基板構造に結合される前に、従来のマスキングおよびドライエッチング技術によって形成される。次いで、レーザ露出領域がウェハ上のトレンチのパターンに一致される。このトレンチは、露出されている半導体領域へのレーザパルスの衝撃を隔離し、歪みを緩和するための好ましい経路を提供する。
【００２４】
上記で述べたレーザリフトオフの代替法として、サファイア基板または適切な基板を光電気化学エッチングによって除去してもよい。光電気化学エッチングによる基板の除去は、図１６に示されている。成長基板４０上でエピタキシャル層２０を成長させた後に、当該技術において既知のレーザスクライビングまたは他の適切な技術によって、装置のエピタキシャル層および基板４０の一部（例えば、エピタキシャル層に近接した基板４０の３０μ）にトレンチ６を形成すればよい。次いで、このエピタキシャル層は、ｐコンタクト１２および結合層１４Ａおよび１４Ｂを介して、ホスト基板構造４９に結合される。次いで、トレンチ６を周囲雰囲気に露出させるために、成長基板４０は、研磨等の従来の手段によって薄膜化されてよい。この構造物を、トレンチ６の中に流入する光電気化学エッチングに適した溶液中に浸漬させ、該構造物を、基板４０を通して、犠牲層４１のバンドギャップよりも大きいエネルギーをもった光８に露出させる。この光への露出によって、犠牲層４１の中に電子／正孔対が発生し、これが犠牲層４１の結合を破壊し、基板４０をアンダーカットしてエピタキシャル構造から放出する。該エピタキシャル構造は、光電気化学エッチングを停止させるエッチング停止層４２を含んでよい。光電気化学エッチングおよび適切なエッチング停止層４２の詳細については、図７を参照して以下で説明する。
【００２５】
サファイア以外の成長基板は通常の化学エッチャントで除去してよく、従って、上記で述べたレーザ露出基板除去法を必要としないかもしれない。図１５は、化学エッチングにより除去し得る基板４０の例を示している。図１５の基板４０は、Ｓｉベース４０Ａ上に成長または処理されたＳｉＣ層４０Ｃを含んでいる。ベース４０ＡとＳｉＣ層４０Ｃとの間には、任意のＳｉＯx層４１Ｂを配置してもよい。Ｓｉベース層４０Ａおよび酸化物層４０Ｂは、慣用のシリコン処理技術によって容易に除去できる。ＳｉＣ層４０Ｃは、既知のエッチング技術または研磨技術によって全体的に除去するために充分に薄く、例えば０．５μｍの厚さであってよい。次いで、エピタキシャル層４５の露出表面上に、ｐコンタクト１２を形成すればよい。或いは、ＳｉＣ層４０Ｃにエッチングされたホールの中に、ｐコンタクト１２を形成してもよい。
【００２６】
成長基板が除去された後、例えば図７に示す光電気化学エッチング（ＰＥＣ）によって、残りのエピタキシャル層がエッチング停止層４２まで薄膜化される。ホスト基板およびエピタキシャル層（構造５３）は、塩基性溶液５０の中に浸漬される。適切な塩基性溶液の一例は０．２ＭのＫＯＨであるが、エッチングすべき材料および望ましい表面テクスチャに応じて、他の多くの適切な塩基性または酸性の溶液を使用してもよい。構造５３のエピタキシャル表面（一般にはｎ型ＧａＮ層）は、該表面層のバンドギャップよりも大きいエネルギーの光に露出される。図７に示した例においては、波長が約３６５ｎｍで強度が約１０〜約１００ｍＷ／ｃｍ2の紫外光が用いられる。光への露出によって、表面半導体層の中には電子／正孔対が発生する。正孔は、ｎ型半導体中の電界の影響下で、エピタキシャル層の表面へと移動する。次いで、下記の式に従って、正孔は表面のＧａＮおよび塩基性溶液５０と反応し、ＧａＮ結合を破壊する：
２ＧａＮ＋６ＯＨ-＋６ｅ+＝２Ｇａ（ＯＨ）3＋Ｎ2
エッチングプロセスを促進および制御するために、電極５１および５２の間に外部電位を印加してもよい。
【００２７】
エッチング停止層は、エッチングすべき層よりも大きいバンドギャップのために選択された組成を有するのがよい。例えば、エッチングされる層がＧａＮで、エチング停止層はＡｌＧａＮ層であってよい。構造５３を露出するために使用される光源は、エッチングすべき層のバンドギャップよりも大きいが、エッチング停止層のバンドギャップよりも小さいエネルギーを有するように選択される。従って、光への露出は、エッチング停止層の中では電子／正孔対を発生させず、エッチング停止層に到達したら効果的にエッチングを停止させる。幾つかの実施形態においては、エッチング停止層としてＩｎＧａＮを使用してよい。ＩｎＧａＮが分解するときに形成される酸化インジウムは、エッチング溶液中では不溶性であり、エッチングされる層の表面をコートしてエッチングを停止させる。薄膜化した後に、例えばＡｌＧａＮエッチング停止層の場合には、異なるエネルギーの光を用いて光電気化学エッチングを継続することにより、またはＩｎＧａＮエッチング停止層の場合には、該溶液を撹拌して、エッチングされる層の表面をコーティングする酸化インジウムを乱すことにより、エッチング停止層を除去してもよい。
【００２８】
基板が光電気化学エッチングにより除去され、次いで光電気化学エッチングにより薄膜化される実施形態において、当該装置は複数のエッチング停止層を含んでよく、成長基板に近い第一のエッチング停止層は、成長基板を除去する際のエッチングを制御し、活性領域に近接した第二のエッチング停止層は、薄膜化する際のエッチングを制御する。幾つかの実施形態においては、成長基板が光電気化学エッチングによって除去され、次いで、ｎ型領域１０８の一部が、反応性イオンエッチングのような従来のエッチングによって除去される。共振キャビティは、第二の光電気化学エッチングにおいて、ｎ型領域１０８を更に薄くすることにより形成される。
【００２９】
図１に示した実施形態は均一な厚さのｎ型領域を示しているが、幾つかの実施形態においては、薄膜化する際に、ｎ型領域１０８の上に三次元構造が形成されてよい。例えば、キャビティの厚さを最小化すると共に、充分な電流広がり、最適な接触抵抗および機械的強度を得るために、ｎ型領域１０８を、コンタクト１０の下の部分がミラー１１の下の部分よりも厚くなるようにパターン化して、コンタクト１０下に十分なｎ型材料を与えるようにしてよい。このような構造はまた、エッチングプロセスを中断している間に試験を行って、出力光の反射率および放射測定に基づいて、最適なエッチング深さをチェックすることを可能にする。
【００３０】
エピタキシャル層を薄膜化した後、エピタキシャル層２０の露出表面上には、コンタクト１０およびミラー１１が堆積される。もし、ミラー１１が導電性でない（例えば誘電体ＤＢＲ）ならば、ミラー１１下のコンタクト１０から電流を広がらせるために、例えば、導電性の酸化インジウム錫または高ドーズ量でドープされたIII族窒化物材料の最適な電流広がり層７０を、ミラー１１とｎ型領域１０８の間に含めてもよい。該電流広がり層は、ミラー１１の部分を電流広がり層まで下方に除去してチャンネルを形成し、該チャンネルの中にコンタクト１０を伸ばすことにより、または該チャンネルの中に、コンタクト１０との電気的接触を形成する追加の導電性材料を堆積させることによって、コンタクトされる。
【００３１】
図８は、本発明の実施形態による、トレンチを含んだ共振キャビティ装置の一部を示す断面図である。ｎ型領域１０８とＤＢＲ１１の界面において導波路を遮断するために、エッチングビア７２が、ＤＢＲ１１を通してｎ型領域１０８の中にエッチングされる。こうして、エッチングビア７２は、当該装置におけるモード数を制限することにより、当該装置からの抽出を向上させる。エッチングビア７２は、典型的にはｎ型領域１０８に閉じ込められ、一般に活性領域１１２の中にまでは広がらない。エッチングビア７２は、約０．１μｍ〜約２．５μｍの深さを有し、約１μｍ〜約１０μｍだけ離間されていてよい。二つの隣接するトレンチ間の通常の距離は約３μｍである。トレンチ７２は、エッチングされる層における電流広がりを促進するために、破線のパターンを形成してよい。図９、図１０および図１１は、トレンチ７２のパターンの例を示している。トレンチ７２は、ミラー１１を堆積した後に、従来のエッチング工程によって形成されてよい。
【００３２】
本発明の幾つかの実施形態において、ｎ型領域１０８の表面上のＤＢＲ１１は、図１に示した単一のＤＢＲ１１の代りに、金属コンタクトによって分離された複数の領域に分割される。図１２および図１３は、このような装置の一部を示す平面図および断面図である。ＤＢＲ１１の核領域は、例えば、差し渡し約５０μｍ〜約１５０μｍである。ＤＢＲ領域１１の間のエリアは、ｎコンタクト１０で満たされている。幾つかの実施形態においては、任意の電流広がり層７０が、ｎ型領域１８とＤＢＲ領域１１およびｎコンタクト領域１１との間に配置される。光放出をＤＢＲ領域１１の下にあるエリアに閉じ込めるために、ｎコンタクト１０下のエピタキシャル層２０の領域における電流注入は、上記のように水素のインプラントによってブロックされてよい。
【００３３】
図１２および図１３に図示した装置において、ｐコンタクト１２は、図１３に示したような単一の連続的な反射性シートであってもよく、またはＤＢＲ領域１１の反対側の、高反射率の領域を有していてもよい。図１４は、ｐコンタクト１２の切欠き平面図である。ミラー領域８０は、図１２に示したＤＢＲ領域１１に整列している。ミラー領域８０は、高反射率のために最適化され、また良好な付着のために最適化されてよいコンタクト領域８２によって分離されている。ミラー領域８０は、例えば銀であってよく、またコンタクト領域８２は、例えばニッケルであってよい。
【００３４】
本発明を詳細に説明したが、本開示が与えられれば、ここに記載された発明概念の精神を逸脱することなく、本発明に変更を加え得ることを当業者は理解するであろう。従って、本発明の範囲は、図示および説明された特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に従う発光装置の断面図および平面図である。
【図２】本発明の実施形態に従う発光装置の断面図および平面図である。
【図３】図１および図２の装置を製造する方法を示している。
【図４】ホスト基板に結合する前の、エピタキシャル構造を示している。
【図５】エピタキシャル構造をホスト基板に結合する方法を示している。
【図６】III族窒化物エピタキシャル構造からサファイア基板を除去する方法を示している。
【図７】成長基板を除去した後にエピタキシャル層を薄くするための、光電気化学エッチングを示している。
【図８】当該装置のｎ型領域に形成されたトレンチを含む、本発明の一実施形態を示している。
【図９】図８のエッチバイアスの構成例を示している。
【図１０】図８のエッチバイアスの構成例を示している。
【図１１】図８のエッチバイアスの構成例を示している。
【図１２】本発明の別の実施形態の平面図である。
【図１３】図１２の装置の断面図である。
【図１４】ｐコンタクトの切欠き平面図である。
【図１５】化学エッチングにより除去してもよい基板を示している。
【図１６】光電気化学エッチングによる基板除去を示している。
【図１７】化学機械研磨によって形成された共振キャビティ装置の一部を示している。
【図１８】光電気化学エッチングにより形成された共振キャビティ装置の一部を示している。
【符号の説明】
【００３６】
６…溝
８…光
１０…Ｎ-コンタクト
１１…ＤＢＲ
１２…ｐコンタクト
１４，１４Ａ，１４Ｂ…結合層
１６…ホスト基板
１８…オーミックコンタクト
２０…エピタキシャル層２０
４０…基板
４１…犠牲層
４２…エッチング停止層
４５…III族窒化物層
４８…エピタキシャル構造
４９…ホスト基板構造、
５１，５２…電極
７２…エッチングビア
１０８…ｎ型領域
１１２…活性領域
１１６…ｐ型領域
【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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