(57)【要約】  LED層(18-22)がサファイア基板全体にわたって成長する。個々のフリップチップLEDが、トレンチ加工又はマスクを用いたイオン注入によって形成される。複数のLEDを有するモジュールが、ダイシングされ、かつサブマウントウエハ(44)上に載置される。サブマウント金属パターン又は前記LED上に形成された金属パターンは、モジュール内の前記LEDを直列に接続する。続いて成長基板が、たとえばレーザーリフトオフによって除去される。載置前又は載置後、前記LEDを一つとなるように機械的に接続する半絶縁層が形成される。前記半絶縁層は、前記基板と前記LED層との間の層のイオン注入によって形成されて良い。前記半絶縁層へのバイアス印加によって、基板除去後に曝露される前記半絶縁層のPECエッチングが行われて良い。その後前記サブマウントは、直列接続されたLEDを有するLEDモジュールを形成するようにダイシングされる。
2012507848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード(LED)構造を作製する方法であって：
成長用基板全体にわたってn型層をエピタキシャル成長し、該n型層全体にわたって活性層をエピタキシャル成長し、かつ該活性層全体にわたってp型層をエピタキシャル成長することによって、LED層を形成する工程；
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程；
前記分離領域によって機械的に結合する前記LEDをサブマウント上に載置する工程；
金属パターンによって個々のLEDの群を相互接続することで、前記LEDが前記分離領域によって一つとなるように機械的に結合すると同時に、少なくとも複数のLEDの直列接続を形成する工程；
前記成長用基板を取り外す工程；及び、
前記サブマウントを分離することで、相互接続したLEDのモジュールを形成する工程；
を有する方法。
【請求項２】
前記成長用基板が取り外された後に、前記LED層の領域を電気的に分離する工程が実行される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記分離領域が半絶縁性である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記分離領域がイオン注入によって形成される、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記分離領域がドーピングによって形成される、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記分離領域が半絶縁性で、かつ分離層の一部である場合において、
前記n型層を介して前記分離層へバイアス印加する工程；及び、
前記分離層へバイアス印加しながら前記分離層の各々を光化学エッチングする工程；
をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記n型層の成長前に前記成長用基板全体にわたって半絶縁性エピタキシャル層を成長させる工程；並びに、
前記半絶縁性エピタキシャル層へ向かうように、前記p型層、活性層、及びn型層を貫通する溝を形成して前記個々のLEDを形成することにより、前記半絶縁性エピタキシャル層、前記個々のLEDが一つとなるように、前記個々のLEDを機械的に支持し続ける、工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記n型層の成長前に前記成長用基板全体にわたって第1エピタキシャル層を成長させる工程；
前記第1エピタキシャル層にイオンを注入することで、前記第1エピタキシャル層の少なくとも表面を半絶縁性にする工程；並びに、
前記半絶縁性エピタキシャル層へ向かうように、前記p型層、活性層、及びn型層を貫通する溝を形成して前記個々のLEDを形成することにより、前記半絶縁性エピタキシャル層、前記個々のLEDが一つとなるように、前記個々のLEDを機械的に支持し続ける、工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記p型層と活性層を貫通して、前記n型層の一部入り込む溝を形成して前記個々のLEDを形成することにより、前記n型層の一部が、前記個々のLEDを一つとなるように機械的に支持し続ける、工程；並びに、
前記成長用基板が取り外された後、前記n型層の表面にイオン注入することで、前記個々のLED間に分離領域を形成する工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記半絶縁性エピタキシャル層へ向かうように、前記p型層、活性層、及びn型層を貫通するようにイオンを注入して、前記個々のLED間に半絶縁性境界領域を形成することで、前記個々のLEDが、前記境界領域によって機械的に一つとなるように結合され続ける、工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
前記分離領域が半絶縁性である場合において：
前記分離領域を相互接続して、前記n型層を介して前記分離領域をバイアス電圧に接続する、前記サブマウント上の金属パターンを形成する工程；
前記n型層を介して少なくとも前記分離領域へバイアス印加する工程；並びに、
少なくとも前記分離領域へバイアス印加をしながら、前記分離領域及び他の曝露された領域の光化学エッチングを実行する工程；並びに、
前記金属パターンと前記分離領域との相互接続を無力化する工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
前記個々のLEDがフリップチップである、請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
直列接続する複数の発光ダイオード(LED)を有するモジュールであって：
電気的に分離された個々のLEDであって、各LEDは、n型層、活性層、及びp型層を有し、かつ、前記n型層、活性層、及びp型層用の成長用基板は取り外される、個々のLED；
前記個々のLEDを一つになるように機械的に結合させる前記個々のLED間の半絶縁性分離領域；並びに、
前記個々のLEDを直列に接続する金属パターン；
を有するモジュール。
【請求項１４】
前記個々のLEDが、少なくとも前記p型層と活性層を貫通するように形成された溝によって分離される、請求項13に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記半絶縁性分離領域がイオン注入によって形成され、かつ
半導体層が、該半導体層の結晶構造中に欠陥を生成することによって、半絶縁性となる、
請求項13に記載のモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード(LED)の形成に関し、より詳細には、相互接続された複数のLEDを同時に形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
個々のLEDは、主電圧（たとえば120VのAC）がかかった状態で直列接続する。それにより、LEDの結合した順方向電圧は、ピーク電圧よりもわずかに小さくなる。従ってLEDは各AC周期でほんの短時間だけ点灯する。LEDの迅速なちらつきは人間の目には視認されない。係る光源は安価である。DC電流レギュレータを必要としないからである。しかし多くのLED（典型的には30-60）が用いられるので、基板回路上に個々のLEDを載置して相互接続することで、比較的大きな発光体が形成される。
【０００３】
直列接続されたLEDはまた、3個のLEDからなる平行な列が、バッテリー電圧がかかった状態で接続することで輝度レベルが生成されるDC用途−たとえば自動車−にも有用である。
【０００４】
直列抵抗器は典型的には、活性な電源を用いることなく、係るLED列の電流を制限するのに用いられる。LEDは如何なる色であって良く、かつ白色を生成するための燐光体コーティングさえも有して良い。
【０００５】
近年、GaN  LEDの効率は、GaN  LED層の成長に用いられる透明サファイア製成長用基板の取り外しによって増大してきた。基板の取り外し後、曝露されたGaN層は、薄くされ、かつ粗い表面が生成されることで光取り出しを増大させるようにエッチングされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第6989555号明細書
【特許文献２】米国特許第6630692号明細書
【特許文献３】米国特許第6547249号明細書
【特許文献４】米国特許第7256483号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第20060014310号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Applied  Physics  Letters、第83巻、pp.3314、2003年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
必要なことは、小型構造の中に直列のLEDを形成する効率的な方法である。また高い信頼性で基板取り外しプロセスを行うことのできる小型LED構造も必要とされている。また基板取り外し後に、光取り出しを増大させるためのエッチングプロセスを高い信頼性で行うことのできる小型LED構造も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
単一のサブマウント上に直列接続された任意の数のLEDを形成するウエハスケールのプロセスが記載されている。一の実施例では、任意の色が生成されるように、上が燐光体で覆われている青色LEDの列が形成される。
【００１０】
一の実施例では、サファイア製成長用基板が、比較的厚い半絶縁性(SI)GaN層を前記基板全体にわたって成長させる。前記SI-GaNの抵抗率は、ドーピングによって、105〜106Ω・cmのオーダーの抵抗率を有するように制御される。n-GaN層が前記SI-GaN層全体にわたって成長して、その後活性層及びp-GaN層が成長する。前記LED層を貫通するようにエッチングされることで溝が形成される。前記エッチングは、前記溝が前記LED層に到達するまで行われる。前記溝は、孤立したLEDのアレイを形成するようにX-Yグリッドを形成する。前記GaN層の全ては透明である。
【００１１】
前記LEDは、該LED全体にわたって堆積される金属層によって相互接続することで、任意の数の前記LED間での直列接続を形成して良い。あるいはその代わりに、前記直列接続は、サブマウント上の金属パターンによって実現されても良い。前記LEDはまた、直列と並列のいずれで接続しても良いし、又は他の配置で接続しても良い。
【００１２】
一の実施例では、たとえば前記サファイア基板をダイシングして前記モジュールを分離することによって、直列接続したLEDの単一モジュールとなることが意図されたLEDの群は分離される。続いて前記サファイア基板と前記SI-GaN層の一部によって支持された各LEDモジュールは、前記サブマウントウエハ上に載置される。前記LEDはフリップチップとして形成されることで、前記サファイア基板は、前記サブマウント基板と対向するように表を上にする。あるいはその代わりに、ダイシング前に、前記ウエハは、前記サブマウントウエハに対して、位置合わせされて、かつ金属でボンディングされる。
【００１３】
続いて前記サファイア基板は、レーザーリフトオフプロセスによって、前記サブマウント上の各モジュールから取り外される。前記レーザーは、前記GaNの上部層に、前記サファイア基板から遠ざかるように気体を放出させる。前記レーザーリフトオフプロセスは、前記LED層上に大きな下向きの圧力を発生させる。前記の厚いSI-GaN層は、前記の薄いn-GaN層、活性層、及びp-GaN層を機械的に支持することで、前記リフトオフプロセス中での破壊を防止する。一旦前記基板が取り外されると、前記SI-GaN層は、前記の薄いn-GaN層、活性層、及びp-GaN層を機械的に一つに接続するので、前記SI-GaN層は、前記個々のLEDに対して機械的支持を供する。しかし前記SI-GaN層は、電気的に有害な影響を及ぼすようには接続しない。
【００１４】
前記LEDを薄くし、かつ前記上部GaN層を介した光取り出しを改善するため、前記曝露された表面の光電気化学(PEC)エッチングが行われる。PECエッチングは、エッチングされる材料を電気的にバイアス印加する工程、前記材料を塩基性溶液に浸漬する工程、及び前記材料をUV光へ曝露する工程を有する。前記サブマウントは、前記LEDのn-GaN層と接続する接地された金属配線パターンを有する。ここで前記金属パターンは、前記PECエッチングプロセス中、前記n-GaN層を介して前記SI-GaN層へ電気的にバイアス印加するのに用いられる。前記SI-GaN層は、前記直列LEDが短絡しない程度に十分高いが、前記PECエッチング中に前記SI-GaN層への電気的バイアス印加が可能となる程度に十分低い抵抗を有する。前記GaN層へドーピングすることで前記SI-GaN層を生成しなければ、前記抵抗は高すぎるので、前記PECエッチングを効率的に実行できない。前記PECエッチング後、前記のバイアス印加のために用いられるサブマウント上の金属配線は切断又は取り外される。PECエッチングは任意である。
【００１５】
他の実施例では、SI-GaN層を成長させる代わりに、p型、n型、又はドーピングされていないGaN層が、前記サファイア基板上で成長し、それに続いてブランケットイオン注入が行われる。前記イオン注入は、前記GaN層の結晶構造中に欠陥を生成することで、前記GaN層を半絶縁性にする。続いて通常のLED層が前記SI-GaN層全体にわたって成長する。続いて前記LED層には、前記個々のLEDを電気的に分離するように、前記SI-GaN層に到達する溝が形成される。その後前記LED/基板は、直列接続LEDを有するLEDモジュールを生成するようにダイシングされる。前記LEDは、サブマウントウエハ上でフリップチップとして載置される。続いて前記基板は、レーザーリフトオフによって、前記サブマウントウエハ上の各モジュールから取り外される。モジュール用の前記LEDは、金属パターンによって直列に接続される。前記SI-GaN層は、基板のリフトオフ中及び前記基板が取り外された後、前記LEDに対する機械的支持を供する。前記の曝露された表面の任意で行われるPECエッチングは、該PECエッチング中に前記SI-GaN層へ電気的にバイアス印加することによって実行されて良い。
【００１６】
他の実施例では、LED層は前記基板上で成長する。続いて、前記p型層と活性層を貫通して、前記n型層を部分的に入り込む溝が生成される。ダイシングして前記LEDモジュールを分離しした後、前記LEDはサブマウントウエハ上のフリップチップとして生成され、前記基板はレーザーリフトオフによって取り外される。モジュール用の前記LEDは、金属パターンによって直列に接続する。その後前記の曝露された表面は、前記溝が終端する地点までイオン注入される。それにより前記n型層の上部は半絶縁性となる。前記半絶縁性部分は、支持をするため、前記LEDを一つにするように機械的に接続させる。続いて前記の曝露された表面の任意で行われるPECエッチングが、前記PECエッチング中に前記表面層にバイアス印加することによって実行されて良い。
【００１７】
他の実施例では、LED層が前記基板上で成長し、かつ前記LED層は、LED間の境界を曝露するようにマスクされる。続いて前記p型層、活性層、及びn型層を介して前記LEDの境界領域へイオンが注入されることで、前記LEDの上記部分は半絶縁性となる。前記LEDを電気的に分離するための溝は必要ない。溝が存在しないため、前記成長用基板が取り外された後、前記LEDは、前記のイオン注入された領域によって機械的に接続される。前記LEDは、金属パターンによって、直列配置で一つに接続する前記サブマウント上での載置後、前記LEDの曝露された表面は任意で、前記の曝露された層へバイアス印加しながら、前記PECエッチングされて良い。前記のイオン注入された領域は、能動デバイスの端部にて表面積のわずかな割合しか占めず、良好な光取り出しを実現するために粗くする必要がなくなる。
【００１８】
任意のPECエッチング後、燐光体層が前記LED全体にわたって堆積されて良い。前記燐光体層は、青色光を漏出させることで、如何なる色の光をも生成する。
【００１９】
前記サブマウントウエハはダイシングされることで、任意の数の直列接続したLEDを有するLEDモジュール又はユニットが分離される。AC電圧又は高DC電圧が、LEDを開始させるようにサブマウント電極と接続して良い。
【００２０】
当該プロセスの態様は、GaNではないLED−たとえばAlInGaP  LED−にも適用されて良い。如何なる適切な基板−たとえばGaN基板−が、様々な層を成長させるのに用いられて良い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例によって形成された青色LEDの簡略化された断面図である。
【図２】ウエハの小さな一部分の簡略化された斜視図である。3個のLEDが前記ウエハ上に形成され、かつ溝を用いて分離されている。
【図３】LED間での直列接続を形成するウエハレベルのメタライゼーションを図示している。
【図４】直列接続された任意の数のLEDを表す斜視図である。
【図５】図3の代替例を図示している。LED上の共面結合パッドは、サブマウント上の金属パターンへ接続するために形成される。サブマウント上の金属パターンは、LED間の直列接続を形成する。
【図６】LEDがサブマウントウエハ上に載置された後にサファイア基板を取り外すレーザーリフトオフプロセスを図示している。
【図７】サブマウント上の8個のLEDの設計の一例の上面図である。図は、サブマウント上の金属パターンと結合するLED上のp型金属及びn型金属のオーミックコンタクトの領域を図示している。簡明を期すため、PECエッチング中に、SI-GaN層とバイアス電圧とを一時的に接続する接地された金属パターンだけが図示されている。
【図８】サブマウントウエハ上に載置され、光取り出しを改善するためにPECエッチングが施されながら、SI-GaN層は電気的にバイアス印加されているLEDの上部層を示す側面図である。
【図９】図7と同一の図だが、サブマウント上の金属パターンによって供されるLED間の直列接続を概略的に表す。図7に図示されたバイアス印加配線は切断された。
【図１０】本発明の一実施例において用いられる様々な工程を示すフローチャートである。図では、溝が半絶縁性層と併用されることでLEDを分離する。
【図１１Ａ】GaN層へイオンが注入されることで半絶縁層が生成される他の実施例を図示している。
【図１１Ｂ】LEDが半絶縁層全体にわたって形成され、かつ溝が個々のLEDを分離するように形成された後における、図11Aの構造を図示している。
【図１１Ｃ】サブマウント上に載置されて基板が取り外された後における図11Bの構造を図示している。
【図１２Ａ】LED層が、部分的にn-GaN層へ入り込むように延在する溝を形成するようにエッチングされる実施例を図示している。
【図１２Ｂ】サブマウント上に載置され、前記基板が取り外されて、かつイオン注入によって上部表面部が半絶縁性となった後における図12Aの構造を図示している。
【図１３】LED層を貫通して基板にまで到達するマスクを用いたイオン注入によって、個々のLEDが分離される他の実施例を図示している。
【図１４】トレンチ加工及び/又はイオン注入がLEDを電気的に分離するのに用いられる本発明の一実施例において用いられる様々な工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
様々な図において同一参照番号によって特定される構成要素は同一又は類似である。
【００２３】
図1は、本発明の一実施例によって形成された青色LEDの簡略化された断面図である。例では、青色LEDがウエハ上に形成されている。しかし代わりに他の種類のLED−たとえばAlInGaP  LED−が形成されても良い。全ての層はエピタキシャル成長する。
【００２４】
サファイア基板12上に、従来のGaN核形成層、成長開始層(GIL)、及び合体(coalescence)層が成長する。全ての層は層14で表される。前記層は一般的に、サファイア基板12の格子定数とLED層のGaN格子定数との間の遷移を供することで、重要なn-GaN層、活性層、及びp-GaN層の結晶構造中の欠陥密度を最小限に抑制するのに用いられる。そのような遷移層の形成は、特許文献1及び特許文献2に記載されている。
【００２５】
層14全体にわたって厚い半絶縁性(SI)GaN層16が成長する。SI-GaN層16は少なくとも2つの機能を実行する。SI-GaN層16は、光電気化学(PEC)エッチングプロセスのために電気的にバイアス印加される一方で、LEDを短絡させる程度の伝導性を有しているわけではない。一の実施例では、層16は2μm以上の厚さである。SI-GaN層16の抵抗は、Fe又はMgをドーピングすることによって制御されて良い。SI-GaN層については非特許文献1に記載されている。
【００２６】
層16の抵抗率は、（LED間に溝が形成された後に）LED間での適切な電気的分離を供するように選ばれるが、約0.1Vの電圧で約10μA/mm2の電流を流すことを可能にする。後述するように、PECエッチング中にはそのような特性が必要となる。100kΩ・cmの抵抗率が適切である。許容可能な抵抗率の範囲は104-106Ω・cmである。（溝が形成された後の）隣接するLED間の電圧は、約4Vなので、10μm幅にわたる漏れ電流は素子あたり約8μAである。
【００２７】
LED列の代わりに、LEDの2次元アレイが直列に接続する場合、デバイス間の平均電圧差と隣接するデバイス数が大きくなるので、漏れ電流は大きくなる。しかし実際の実施例では、約105Ω・cmのオーダーのSI-GaNの抵抗率は、サブμAの漏れ電流しか許さない。
【００２８】
層16全体にわたって、従来のn-GaN閉じこめ層18、従来の活性層20、及び従来のp-GaN閉じこめ層22が成長する。一の実施例では、活性層20はAlInGaNであり、青色光を発生させる。
【００２９】
LEDが、サブマウントに対向するその表面上にn型及びp型のコンタクトを有するフリップチップである場合、p型層は、下地のn型層の一部を曝露するように、マスクされてエッチングされる。続いて図2に図示されているように、溝24は、反応性イオンエッチングを用いてLED部分間をエッチングすることによって形成される。エッチングにより溝を形成してGaN  LEDを分離することについては特許文献3に記載されている。溝24は、SI-GaN層16に到達するまでエッチングされることにより形成される。
【００３０】
溝24が形成される前又はその後に、p型及びn型の半導体層への金属オーミックコンタクトが形成される。
【００３１】
簡明を期すために3つの分離したLEDしか図示されていないが、通常は、同一の成長用基板上には何百もの分離したLEDが同時に生成される。
【００３２】
図3は、一の実施例での、LEDを相互接続するメタライゼーションプロセスを図示している。平坦化された絶縁層30が表面全体にわたって形成されることで、溝24を充填し、かつ実質的に平坦な表面を生成することができる。Si2N3又は他の誘電体が堆積されて良い。絶縁層30は、n型層及びp型層上のオーミックコンタクトを曝露するように、マスクされてエッチングされる。続いてLED間に直列相互接続32を生成するように金属−たとえばアルミニウム合金−が堆積される。簡明を期すため、相互接続32は概略的に図示されている。実際の実施例では、広い金属細片が相互接続を作る。
【００３３】
図4は、相互接続32によって作ることができる個々のLED36間での可能な直列接続の概略図である。任意の数のLED36が、要求される順方向電圧降下及び輝度を実現するように直列及び並列に接続されて良い。直列接続する列と結合するAC電源38が図示されている。各サイクル中、AC電圧は、正と負の値をとると推定されるので、LEDの列は、反平行の配置で接続することで、そのLEDの列は交互に点灯する。AC電圧が順方向電圧を超えて上昇するとき、列中のLED36は点灯する。電流を制限する抵抗器40は、最大電流が各列を流れるように設定する。AC電源が主電圧（たとえば120V、220V等）である場合、列中には30個以上のLEDが存在して良い。他の実施例では、整流信号を生成するためにブリッジ全波整流器がシリコンダイオードを用いることによって形成され、かつ直列接続したLED列がその整流信号により駆動される。係る実施例は、輝度出力用の反平行配置として、半分のLED数を利用する。整流器はサブマウント上に形成されて良い。
【００３４】
LED上に金属相互接続を堆積するための代替手法として、相互接続はサブマウント上の金属パターンであって良い。図5は、隆起することでp型金属コンタクト26と同一平面をなす全てのn型金属コンタクト42を図示している。よってサブマウントトレースパターンによって相互接続を作ることができる。図3に図示されたものと同様の絶縁層が最初に形成され、その後隆起した金属コンタクト42が前記絶縁層内の開口部へ入り込むように堆積されて良い。サブマウント相互接続パターンは、図3の相互接続パターンと類似して良い。
【００３５】
続いてLED/基板は、たとえば鋸による切断又はスクライブ・ブレーク(scribe-and-break)法によりダイシングされて、任意の数のLEDを有するLEDのモジュールが形成される。後に各モジュールは、他全てのプロセス後に、単一のパッケージ内にまとめられる。
【００３６】
図6では、続いて図3又は図5の構造から分離された構造がサブマウントウエハ44上に載置される。図6には、サブマウントウエハ44の一部分上に1つの簡略化されたモジュールしか図示されていない。
【００３７】
サブマウントウエハ44上の金属パターンは、LEDの金属コンタクト26/42から、回路基板との接続用であるより頑丈な金属パッドまで延びる。サブマウントウエハ44上のパッドは、超音波溶接、はんだ付け、又は他の方法によって、LED上の対応するパッドと結合する。金のバンプが、界面金属としての役割を果たして良い。サブマウントへのLEDの結合は従来行われているものである。
【００３８】
図6では、n型層、活性層、及びp型層が、層46として図示されている。サファイア基板12はレーザーリフトオフによって取り外される。レーザーのエネルギーは矢印48によって図示されている。レーザー（たとえばエキシマレーザー）の光子のエネルギーは、LED材料のバンドギャップより大きく、かつサファイア基板の吸収端よりも小さい値（たとえば3.44eV〜6eV）をとるように選ばれる。サファイアを貫通するレーザーからのパルスは、LED材料の最初の100nm範囲内で熱エネルギーに変換される。発生した温度は、100℃を超え、かつガリウムと窒素とを解離する。その結果生じた高い気体圧力は、基板をエピタキシャル層から離れるように押すことで前記層から前記基板を解放する。その後解放された基板は単純にLED構造から取り外される。サブマウントへの損傷の危険性を防止するように、SI-GaN層16の存在は、レーザー放射線が、LED間の領域内のサブマウント表面へ到達するのを阻止する。
【００３９】
厚いSI-GaN層16によって供される機械的支持は、LED層46への巨大な下向きの圧力がLED層46にクラックを発生させるのを防止する。成長用基板12が取り外された後、SI-GaN層16はまた個々のLEDの機械的支持をも供する。
【００４０】
代わりに成長用基板12は、たとえば反応性イオンエッチング(RIE)、CMP、又は研磨のようなエッチングによって取り外されても良い。適切な基板取り外し手法は特許文献4に記載されている。
【００４１】
成長用基板が取り外された後、層14又は層16の曝露された表面は、その表面を介した光取り出しにとって最適ではない。LEDを薄くして、層16の最適な粗さ表面を実現するため、光電気化学(PEC)エッチングが用いられる。SI-GaN層16と塩基性溶液（後述）との間に生成される電場が層14内に依然として存在しているので、PEC前の層14の除去は任意である。層14は、PECエッチングによって除去されて良いし、又は非PECエッチング−たとえばRIE、CMP、又は研磨−によって除去されることで、SI-GaN層16が露わになっても良い。
【００４２】
PECエッチングでは、エッチングされる表面と溶液との間に電場が生成されることで、エッチング速度を増大させて、かつエッチング速度を制御しなければならない。そのようなバイアス印加を可能にするため、n型層18の金属コンタクトを介してSI-GaN層16を研磨するため、サブマウント上に犠牲となる薄い金属パターンが供される。
【００４３】
図7は、8個のLEDからなる単一のLEDモジュールを支持するサブマウントウエハ44の一部分の上面図である。図7は、LED上のp型及びn型のコンタクト26/42、前記LEDと接続するSI-GaN層16、並びに、サブマウントウエハ44上の犠牲となる金属パターン50を図示している。図7のp型及びn型のコンタクトのパターンは、活性層全体に対称的な電流を流すため、p型コンタクト26を取り囲むn型コンタクト42を図示している。これまでの実施例では、n型及びp型のコンタクトの記載は簡略化されてきた。SI-GaN層16は、多くの分配点にて、金属パターン及びn型層を介して接地電位に接続する。さもなければ、高い抵抗によって、層16への均一なバイアス印加が防止され、不均一なPECエッチングが起こる。
【００４４】
図8では、層14又は層16の曝露表面のPECエッチングが行われる。少なくとも層14はPECエッチング中にエッチングされる。PECエッチングを実行するため、少なくともエッチングされる層は塩基性溶液中に浸漬され、かつ正の電位を有する電極が塩基性溶液中に浸漬される。適切な塩基性溶液の例は0.2MのKOHである。しかし他多くの適切な塩基性又は酸性の溶液が用いられても良く、かつ他多くの適切な塩基性又は酸性の溶液はエッチングされる材料の組成及び所望の表面テクスチャに依存する。GaN層14/16のエピタキシャル表面は、表面層のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光に曝露される。一例では、波長が約365nmでかつ強度が約10〜100mW/cm2の紫外光が用いられる。光への曝露は、表面の半導体層中に電子正孔対を発生させる。正孔は、電場の影響下でGaN層の表面へ向かって移動する。続いて正孔は、2GaN+6OH-+6e-=2Ga(OH)3+N2に従って、表面のGaN及び塩基性溶液と反応して、GaN結合を破壊する。SI-GaN層16を流れる電流は、1×1mm2のLEDでは約10μAである。PEC電圧はダイオードの破壊電圧未満に保たれなければならない（たとえば5V未満）。GaN層のPECエッチングのさらなる詳細は特許文献5で見ることができる。
【００４５】
結果として生じた層16の表面の粗さは、LED構造内部での内部反射を減少させることで効率を増大させる。
【００４６】
n型コンタクトがこれ以上短絡せずに接地電位と接続するように、PECエッチング後、金属パターン50（図7）を切断するのにレーザーが用いられて良い。あるいはその代わりに、十分大きな電流パルスがパターン50を通過することで、薄い金属を焼き切っても良い。
【００４７】
図9は図7と同一の図だが、LED上にn型及びn型の金属コンタクト26/42（図5）と接触するため、LED上に堆積された金属パターン（図3）又はサブマウントウエハ44上に形成された金属パターンのいずれかによって形成される、LED間の相互接続52を図示している。サブマウントウエハ44上のリード線54は、電源−たとえばAC又はDC電源−と接続するためにLEDを超えて延在する。リード線54は、LEDと同一面上に存在しても良いし、又は回路基板上のパッドと直接接続するためにサブマウントウエハ44の底面上に存在しても良い。
【００４８】
ウエハレベルの燐光体の堆積及び密閉は、鋳型成型、堆積、又は他の手法によって行われて良い。LEDが青色光を放出する場合、燐光体は緑色と赤色の燐光体を含むことで、漏れた青色と緑及び赤色の光とが結合して白色光を生成する。代わりに黄緑色のYAG燐光体が用いられても良い。鋳型成型によって、各LEDモジュール全体にわたってレンズが形成されて良い。
【００４９】
続いてサブマウントウエハ44は、たとえば鋸による切断又はスクライブ・ブレーク(scribe-and-break)法によりダイシングされる。モジュール中のLEDは、SI-GaN層16によって一つとなるように機械的に結合される。その後モジュールは一まとめにされて良い。
【００５０】
図10は、本発明の一実施例において用いられる様々な工程を特定するフローチャートである。
【００５１】
工程64では、厚い半絶縁性層がサファイア基板全体にわたってエピタキシャル成長する。前記半絶縁層の抵抗は、電流を流すが後で形成されるLEDを短絡させないように慎重に制御される。
【００５２】
工程65では、LED層が前記半絶縁層全体にわたってエピタキシャル成長する。
【００５３】
工程66では、LEDは、LEDは貫通するが半絶縁層は貫通しない溝によって、互いに電気的に分離する。特にサブマウントが可撓性である場合には、厚い半絶縁性層は、サファイア基板が取り外された後における、個々のLEDの位置合わせを維持するのを助ける。さらにサブマウントに高温処理が施される場合、半絶縁層は、金属のクリープ現象から生じるLEDを位置合わせのずれを抑える。またさらに半絶縁層はそれぞれのLEDの端部を覆い、かつダイの端部は湿気に対して最も弱いので、前記半絶縁層はこのような弱点を緩和する。各LEDはフリップチップである（光取り出し面に対して反対を向く面上にp型コンタクトもn型コンタクトも存在する）。任意で、サファイア基板は、LEDモジュールが取り出されるようにダイシングされる。各LEDモジュールは単一のパッケージに含まれるべきLEDを含む。
【００５４】
工程67では、LEDモジュールのダイシング後、フリップチップLEDがサブマウントウエハ上に載置される。サブマウントは、直列、直列と並列の両方、又は他の配置で電気的に相互接続して良い。サブマウントはまた、PECエッチングを行うために共通の半絶縁層にバイアス印加する金属配線をも有する。サブマウントウエハはまた、LED用の機械的支持をも供する。
【００５５】
工程68では、サファイア基板はたとえばレーザーリフトオフによって取り外される。
【００５６】
工程69では、曝露された層のPECエッチング中、バイアス電圧（たとえば接地）が、LED層のn型コンタクトを介して半絶縁層に印加される。サブマウントウエハ上のリード線が、バイアス電圧を半絶縁層へ印加するのに用いられて良い。
【００５７】
工程70では、半絶縁層へバイアス印加するためのサブマウントウエハ上のリード線が切断又は取り外される。
【００５８】
工程71では、サブマウントウエハは、LEDモジュール又はユニットを形成するようにダイシングされる。各モジュールは相互接続されたLEDの群−たとえば比較的高い電源と結合するため、1列以上のLEDの列を有するようなもの−を有する。
【００５９】
図11Aはサファイア基板82全体にわたって成長するGaN層80を図示している。層80の厚さは0.5〜4μmであって良い。その厚さは重要ではない。層80は、p型層、n型層、又はドーピングされていない層であって良い。続いてイオン83を層80へ注入するためのイオン注入が行われる。イオン注入は、層80の結晶構造中に欠陥を生成することによって、層80を半絶縁性にする。イオン（プロトン）注入は、4μmの厚さのエピタキシャル層であれば、8×1013/cm2の照射量で400keVのエネルギーで行われる。最適な照射量及びエネルギーは実験的に決定され、かつ（たとえば層の厚さに依存して）これらの値から±50%変化して良い。照射量及びエネルギーは、注入が誘起する光吸収を最小限に抑制しながら十分な分離を実現するように最適化されなければならない。イオン種には、He、Zn、Al、及びMgが含まれる（がこれらに限定されるわけではない）。GaN材料中に絶縁領域を生成するイオン注入は当業者には周知である。
【００６０】
図11Bに図示されているように、1層以上の厚いn型層84が層80全体にわたって成長し、続いて活性層86とp型層88が成長する。
【００６１】
その後半絶縁性GaN層80へ向かってLED層88,86,84を貫通する溝90が形成される。エッチングはフォトレジストマスク層を用いた後に反応性イオンエッチング(RIE)を行うことで実行される。溝90は、たとえば図2及び図7のようなLEDを分離するので、LEDは後で一つとなるように直列に接続することができる。SI-GaN層80は、非常に高い抵抗率を有しているわけではないので、直列配置に影響を及ぼさない。フリップチップを形成するのに必要な任意のエッチングが実行される。
【００６２】
図11Cに図示されているように、分離されたLEDのp型層とn型層を接触させるように金属コンタクト26と42が形成される。続いてLEDモジュールはダイシングされて、LEDはサブマウント44上に載置される。一のモジュールが図11Cに図示される。簡明を期すため、LED層は層94として図示されている。前述したように、基板82はレーザーエネルギー48を用いることによってリフトオフされる。LED層は、LED層間に金属コンタクト26と42を形成することによって、レーザーリフトオフのために支持されて良い。サブマウントウエハ44は底面の大部分を覆う。金属コンタクトは、LED層の下の領域の約90%を覆って良い。前述したように、基板が取り外された後、LED層全体にわたるSI-GaN層80は、サブマウント上の金属パターンによって電気的にバイアス印加され、かつ光取り出しを最適化するようにPECエッチングが行われる。LEDのサイズに対する溝の幅は、図11Cに図示されたものよりもはるかに小さい。SI-GaN層80は、サブマウント44上に存在しながらLEDを機械的に支持する。
【００６３】
直列のLEDを有するLEDモジュールを生成する他の処理は前述したものと同一であって良い。
【００６４】
全ての実施例では、LEDとサブマウント44の間にアンダーフィル（たとえばシリコーン）が注入されることで、レーザーリフトオフ中でのLED層及びSI-GaN層の支持が助けられ、かつLEDが保護されて良い。
【００６５】
図12A及び図12Bは、個々のLED間に機械的に支持する層を生成するのにイオン注入を用いる他のプロセスを図示している。図12Aでは、n型層84、活性層86、及びp型層88が基板82全体にわたって成長する。マスク及びRIE98を用いることによって、p型層88と活性層86を貫通してn型層84へ部分的に入り込む溝96が形成される。前述したように、溝96は個々のLEDを分離する。
【００６６】
図12Bでは、フリップチップを形成するのに金属コンタクト26と42が生成され、かつダイシング後、LEDモジュールはサブマウントウエハ44上に載置される。続いて基板はレーザーリフトオフを用いて取り外される。簡明を期すため、LED層は層94として図示される。その後上面100は、図11Aで説明した手法と同一の手法を用いることによって、イオン102が注入される。それによりn型層の上部から溝96が終端するところまでの領域が半絶縁性となる。モジュール内の直列接続するLEDを形成する他の処理はこれまでの実施例と同一である。
【００６７】
図13は、LEDを分離するように形成される溝が存在しない他の実施例を図示している。LED層84、86、及び88は基板82全体にわたって成長する。続いてフォトレジストマスク104が、個々のLED間の半絶縁性の境界となる領域を曝露するように、構造全体にわたって形成される。続いてイオン106が十分高いエネルギーで注入されることで、境界領域内の層84、86、及び88の結晶構造中に欠陥を生成することで、これらの境界領域を半絶縁性にすることで、実効的にLEDを互いに電気的に分離する。続いてマスク104が取り外される。これまで説明してきた実施例では、金属コンタクトが生成され、モジュールがダイシングされ、そのモジュールがサブマウントウエハ上に載置され、LEDが直列接続され、基板が取り外され、かつLEDモジュール/サブマウントが分離される。イオン注入された領域は、デバイス間の境界での発光領域のわずか−たとえば約8%−しか占めず、かつ良好な光放出を実現するのにPECプロセスによって粗くされる必要がない。
【００６８】
前述したように、燐光体の堆積及び封入は（ダイシング前に）ウエハスケールで実行されて良い。
【００６９】
LED間の接続には、単純な直列接続以外に他の様々な金属接続が用いられて良い。LEDは、長時間点灯するように、瞬時の電圧に基づいて、AC電源全体にわたって直列に接続するLEDの数を動的に変化させる制御回路と接続して良い。
【００７０】
全ての実施例では、半絶縁層又は領域は約104Ω・cm（真性GaNの抵抗率よりも抵抗率）よりも大きな抵抗率を有しなければならないが、低い抵抗率が、イオン注入によって光吸収を小さくするという許容可能なトレードオフであっても良い。
【００７１】
図14は、溝の有無に関係なく、イオン注入を用いてLEDを電気的に分離するプロセスを広範に記載するフローチャートである。
【００７２】
工程110では、LED層が基板全体にわたってエピタキシャル成長する。
【００７３】
工程112では、イオン注入によって、また場合によっては図11A〜図13で説明した溝によって、LEDは互いに電気的に分離される。いずれの場合においても、個々のLEDは、イオン注入によって形成される半絶縁層によって機械的に一つに接続される。機械的な接続によって、LEDの耐久性は改善され、そのLEDの位置合わせが助けられ、かつ基板リフトオフ中での追加的支持が供される。各LEDはフリップチップである（光取り出し面に対して反対を向く面上にp型コンタクトもn型コンタクトも存在する）。
【００７４】
工程114では、モジュールがダイシングされ、かつフリップチップLEDがサブマウントウエハ上に載置される。サブマウントは、直列、直列と並列の両方、又は他の配置で電気的に相互接続して良い。サブマウントはまた、PECエッチングを行うため、共通の半絶縁層（上面）にバイアス印加する金属配線をも有する。サブマウントウエハはまたLED用の機械的支持をも供する。サファイア基板はたとえばレーザーリフトオフによって取り外される。
【００７５】
たとえば図12Bに図示されているように、イオン注入が基板の取り外し後に行われる場合には、工程112と114の順序はひっくり返されて良い。
【００７６】
続いて工程116においてPECエッチングが行われる場合、曝露された層のPECエッチング中、バイアス電圧（たとえば接地）は、LED層のn型コンタクトを介して半絶縁層に印加される。サブマウント上のリード線が、バイアス電圧を半絶縁層へ印加するのに用いられて良い。
【００７７】
工程118では、バイアス電圧を半絶縁層へ印加するのに用いられるサブマウント上のリード線が切断又は取り外される。
【００７８】
工程120では、サブマウントウエハは、LEDモジュール又はユニットを形成するようにダイシングされる。各モジュールは相互接続されたLEDの群−たとえば比較的高い電源と結合するため、1列以上のLEDの列を有するようなもの−を有する。
【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】
2012507848.tif 000011
【図１０】
2012507848.tif 000012
【図１１Ａ】
2012507848.tif 000013
【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年5月9日(2011.5.9)
【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】
発光ダイオード(LED)構造を作製する方法であって：
成長用基板全体にわたってn型層をエピタキシャル成長し、該n型層全体にわたって活性層をエピタキシャル成長し、かつ該活性層全体にわたってp型層をエピタキシャル成長することによって、LED層を形成する工程；
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程であって、前記の電気的に分離された領域は、前記成長用基板全体にわたってエピタキシャル成長し、かつ前記成長用基板と前記活性層の間に位置する層の少なくとも一部である、工程；
前記成長用基板を取り外す前に、前記分離領域によって機械的に結合する前記LEDをサブマウントウエハ上に載置する工程；
金属パターンによって個々のLEDの群を相互接続することで、前記LEDが前記分離領域によって一つとなるように機械的に結合すると同時に、少なくとも複数のLEDの直列接続を形成する工程；
前記成長用基板を取り外す工程；及び、
前記サブマウントウエハを分離することで、相互接続したLEDのモジュールを形成する工程であって、各モジュールは、前記サブマウントウエハの一部であったサブマウントを含む工程；
を有する方法。
【請求項２】
前記成長用基板が取り外された後に、前記LED層の領域を電気的に分離する工程が実行される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記分離領域が半絶縁性である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記分離領域がイオン注入によって形成される、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記分離領域がドーピングによって形成される、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記分離領域が半絶縁性で、かつ分離層の一部である場合において、
前記n型層を介して前記分離層へバイアス印加する工程；及び、
前記分離層へバイアス印加しながら前記分離層の各々を光化学エッチングする工程；
をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記n型層の成長前に前記成長用基板全体にわたって半絶縁性エピタキシャル層を成長させる工程；並びに、
前記半絶縁性エピタキシャル層へ向かうように、前記p型層、活性層、及びn型層を貫通する溝を形成して前記個々のLEDを形成することにより、前記半絶縁性エピタキシャル層、前記個々のLEDが一つとなるように、前記個々のLEDを機械的に支持し続ける、工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記n型層の成長前に前記成長用基板全体にわたって第1エピタキシャル層を成長させる工程；
前記第1エピタキシャル層にイオンを注入することで、前記第1エピタキシャル層の少なくとも表面を半絶縁性にする工程；並びに、
前記半絶縁性エピタキシャル層へ向かうように、前記p型層、活性層、及びn型層を貫通する溝を形成して前記個々のLEDを形成することにより、前記半絶縁性エピタキシャル層、前記個々のLEDが一つとなるように、前記個々のLEDを機械的に支持し続ける、工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記p型層と活性層を貫通して、前記n型層の一部入り込む溝を形成して前記個々のLEDを形成することにより、前記n型層の一部が、前記個々のLEDを一つとなるように機械的に支持し続ける、工程；並びに、
前記成長用基板が取り外された後、前記n型層の表面にイオン注入することで、前記個々のLED間に分離領域を形成する工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
前記LED層の領域を電気的に分離することで、個々のLED間に分離領域を形成することによって実質的に電気的に分離されたLEDを生成する工程が：
前記半絶縁性エピタキシャル層へ向かうように、前記p型層、活性層、及びn型層を貫通するようにイオンを注入して、前記個々のLED間に半絶縁性境界領域を形成することで、前記個々のLEDが、前記境界領域によって機械的に一つとなるように結合され続ける、工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
前記分離領域が半絶縁性である場合において：
前記分離領域を相互接続して、前記n型層を介して前記分離領域をバイアス電圧に接続する、前記サブマウント上の金属パターンを形成する工程；
前記n型層を介して少なくとも前記分離領域へバイアス印加する工程；並びに、
少なくとも前記分離領域へバイアス印加をしながら、前記分離領域及び他の曝露された領域の光化学エッチングを実行する工程；並びに、
前記金属パターンと前記分離領域との相互接続を無力化する工程；
を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
前記個々のLEDがフリップチップである、請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
直列接続する複数の発光ダイオード(LED)を有するモジュールであって：
電気的に分離された個々のLEDであって、各LEDは、n型層、活性層、及びp型層を有し、かつ、前記n型層、活性層、及びp型層用の成長用基板は取り外される、個々のLED；
前記個々のLEDを一つになるように機械的に結合させる前記個々のLED間に設けられ、前記成長用基板全体にわたってエピタキシャル成長し、かつ前記活性層と前記成長用基板が除去された表面との間に位置する半絶縁性分離領域；並びに、
前記個々のLEDを直列に接続する金属パターン；
を有するモジュール。
【請求項１４】
前記個々のLEDが、少なくとも前記p型層と活性層を貫通するように形成された溝によって分離される、請求項13に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記半絶縁性分離領域がイオン注入によって形成され、かつ
半導体層が、該半導体層の結晶構造中に欠陥を生成することによって、半絶縁性となる、
請求項13に記載のモジュール。
【国際調査報告】
2012507848.tif 000020
2012507848.tif 000021