JP2019537255A - 少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品の製造方法およびオプトエレクトロニクス半導体部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法であって、− 半導体積層体を設けるステップであって、半導体積層体が第１の半導体材料を含み、第１の半導体材料が動作時に第１の放射を放出する、ステップと、− 半導体積層体の上に少なくとも部分的に変換要素を冷間法によって形成するステップと、を含み、変換要素が第２の半導体材料を含み、動作時に第２の半導体材料が第１の放射を第２の放射に変換する。【選択図】図３

Description

少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法を開示する。さらに、オプトエレクトロニクス半導体部品を開示する。

エピタキシャル層を有する半導体変換要素を、光変換要素として使用することができる。従来の変換要素は、主として、極めて広いバンドギャップ（Ｅ_ｇ＞＞５ｅＶ）を有する誘電体であり、半導体ではない。そして光変換現象は、これらの誘電体材料中にドープされている希土類の活性剤イオン（rare-earth activator ion）による。一般には、サファイア上にＭＯＣＶＤ薄膜成膜法によってインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）の青色ＬＥＤを成長させ、ＩｎＧａＮ青色ＬＥＤの上面に従来の変換要素を接着剤によって結合する。変換要素はＬＥＤの青色波長を吸収し、希土類の活性剤イオンに応じて別の波長に変換する。接着剤は、有機材料（例えばシリコーン）とすることができる。変換要素は、ＬＥＤチップの表面にシリコーンによって接着される。

しかしながらこの方法では、ＬＥＤチップと従来の変換要素との間に厚い接着界面（glue interface）が形成される。このような構造では、画素ＬＥＤコンセプトにおいてクロストークが防止されず、ＬＥＤチップと変換要素との間の、より薄い界面が必要である。別の１つの発想として、直接接合、または何らかの追加の材料を含むウェハ接合（例えば二酸化珪素がコーティングされたウェハ）を使用することによって、変換に使用される基板（例えばウェハ）をＬＥＤウェハに接合することができる。画素ＬＥＤコンセプトにおいてクロストークを回避するためには、従来の変換要素の厚さも低減する必要がある。このことは、本発明に考案されているように半導体変換要素を使用することによって解決することができる。

少なくとも一実施形態によれば、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法は、半導体積層体を設けるステップであって、半導体積層体が第１の半導体材料を含み、第１の半導体材料が動作時に第１の放射を放出する、ステップと、半導体積層体の上に少なくとも部分的に変換要素を冷間法（cold method）によって形成するステップと、を含み、変換要素が第２の半導体材料を含み、動作時に第２の半導体材料が第１の放射を第２の放射に変換する。

少なくとも一実施形態によれば、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法であって、本方法が、
− 半導体積層体を設けるステップであって、半導体積層体が、基板上に成長されている、または基板上に成長させ、かつ、第１の半導体材料を含み、第１の半導体材料が動作時に第１の放射を放出する、ステップと、
− 半導体積層体の上に少なくとも部分的に変換要素を冷間法によって形成するステップと、
を含み、
変換要素が第２の半導体材料を含み、
動作時に第２の半導体材料が第１の放射を第２の放射に変換する。

本方法の一実施形態によれば、本方法は、半導体積層体を設けるステップ、を含む。本オプトエレクトロニクス半導体部品は、１つまたは複数の半導体積層体を備えていることができる。半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（本明細書では第１の半導体材料と称する）系であることが好ましい。この第１の半導体材料は、例えば、Ａｌ_ｎＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｇａ_ｍＮなどの窒化物化合物半導体材料、またはＡｌ_ｎＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｇａ_ｍＰなどのリン化物化合物半導体材料、またはＡｌ_ｎＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｇａ_ｍＡｓなどのヒ化物化合物半導体材料、である（各場合において、０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１）。この場合、半導体積層体は、ドーパントおよび追加の構成成分を含むことができる。しかしながら説明を単純にするため、半導体積層体の結晶格子の本質的な成分（すなわちＡｌ、Ａｓ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、またはＰ）のみを示してあり、これらの一部を少量のさらなる物質によって置き換える、および／または、少量のさらなる物質によって補うことができる。

一実施形態によれば、第１の半導体材料は、Ａｌ_ｎＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｇａ_ｍＮである（ｎ、ｍ、およびｎ＋ｍは、０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、および／またはｎ＋ｍ≦１とすることができる）。

少なくとも１つの半導体積層体を成長させることができる。特に、半導体積層体は、基板上にエピタキシャルに成長させる、または成長させたものである。

一実施形態によれば、基板は、例えば、サファイアまたは他のセラミック、ガラス、ガラスに類似する材料、ガラスセラミック、または他の透明もしくは半透明の材料、をベースとする、またはこれらの材料からなる。これに代えて、基板は、反射性とすることができ、例えば、アルミナ、多結晶アルミナ、他のセラミック、アルミニウム、他の金属、またはＡｌａｎｏｄ（登録商標）を含むことができる、またはこれらの材料からなる。

特に、基板は、ウェハまたはポンプウェハ（pump wafer）である。

一実施形態によれば、第１の半導体材料は、動作時に第１の放射を放出することができる。第１の放射は、特に、青色のスペクトル領域および／または紫外線のスペクトル領域の主波長を有する。主波長とは、適切な割合で無彩光と合成された場合に視覚的に同じである単色光の波長である。

一実施形態によれば、本方法は、半導体積層体の上に変換要素を形成するステップ、を含む。特に、変換要素は、基板とは反対側の半導体積層体の表面に形成される。変換要素は、半導体積層体の上に少なくとも部分的に形成される。

好ましい実施形態においては、変換要素は、半導体積層体の上に完全に形成される。変換要素は、冷間法によって形成される。冷間法とは、この場合および以下では、本方法が５５０℃の最大温度で、特に４００℃の最大温度（例えば３８０℃）で、実行されることを意味する。

一実施形態によれば、冷間法は、スパッタリングまたはパルスレーザ堆積法（pulse laser deposition）である。これらの方法は当業者には公知であり、したがって詳しくは説明しない。

冷間法は、室温におけるエアロゾルデポジション法（ＡＤＭ）（Aerosol Deposition Method）とすることができる。冷間法は、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）とすることができる。ＰＬＤは、室温から最大で少なくとも約７００℃で実行することができる。冷間法は、原子層成長法（ＡＬＥ）（Atomic layer epitaxy）とすることができ、原子層成長法は最大６００℃で実行することができる。冷間法は、２００℃〜６００℃の範囲内の温度におけるプラズマ支援（または励起）ＭＯＶＰＥとすることができる。

一実施形態によれば、冷間法は、最大７００℃で、好ましくは５５０℃未満で実行することができる。

本発明者は、変換要素を冷間法によって形成する結果として、オプトエレクトロニクス部品を低い温度で製造することができることを見出した。このことは、変換要素を形成することによって半導体積層体が破壊されないことを意味する。

本方法の一実施形態によれば、変換要素は、第２の半導体材料を含む。この半導体材料は、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）、アルミニウムガリウムインジウム窒化物（ＡｌＧａＩｎＮ）、アルミニウムガリウムインジウムヒ素リン化物（ＡｌＧａＩｎＡｓＰ）からなる群、から選択することができる。

一実施形態によれば、第２の半導体材料は、動作時に第１の放射を第２の放射に変換する。第２の放射は、第１の放射の主波長より大きい主波長を有することができる。第２の放射の主波長は、特に、赤色、緑色、黄色、橙色のスペクトル領域内にある。

一実施形態によれば、第１の半導体材料および第２の半導体材料それぞれは、インジウムを含む。第１の半導体材料のインジウム含有量は、第２の半導体材料のインジウム含有量より少ない。半導体積層体は、インジウムガリウム窒化物を含む、またはインジウムガリウム窒化物からなることができる。半導体積層体のインジウムガリウム窒化物のインジウム含有量は、同様にインジウムガリウム窒化物とすることのできる第２の半導体材料のインジウム含有量より少ない。インジウムの含有量は、第１の放射および／または第２の放射の主波長に影響する。インジウムガリウム窒化物のインジウム含有量が少ないと、青色スペクトル領域の第１の放射につながる。より多いインジウム含有量は、黄色または赤色のスペクトル領域の放射につながる。

スパッタリングまたはパルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）によって、ポンプウェハ上にエピタキシャル層を堆積させることができる。いずれの技術も、潜在的には、ウェハ上への堆積を可能にする冷間法である（特に、部分的に処理された、またはチップアレイ）。インジウムガリウム窒化物が使用されるときには、堆積させることのできるインジウムの可能な量がずっと多い。したがって、インジウムガリウム窒化物から緑色光および赤色光を生成することができる。

本方法の一実施形態によれば、第２の半導体材料のインジウム含有量は、３０原子％〜６０原子％の範囲内（両端値を含む）である。

本発明者は、冷間法によって変換要素を形成することによって、薄い変換要素を作製することができることを見出した。

一実施形態によれば、変換要素は、２０ｎｍ〜２００ｎｍの層厚、特に、２５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さ（例えば５０ｎｍ）（両端値を含む）を有する層として形成される。

一実施形態によれば、変換要素は、５００ｎｍを上限として、より大きい層厚を有する層として形成される。したがって、吸収を高めることができる。所望の色に応じて層厚を適合させることができる。

本方法の一実施形態によれば、変換要素を形成した後に集合体を形成することができる。次に、複数のオプトエレクトロニクス半導体部品を形成する目的で、この集合体を切り離すことができる。集合体をウェハ上に配置することができ、次に、例えばダイシングによって切り離すことができる。

本方法の一実施形態によれば、変換要素は、半導体積層体とは反対側に配置される表面を備えている。これに加えて、またはこれに代えて、変換要素が構造化される。マイクロピクセル変換（micropixel conversion）を可能にするため変換要素をフォトリソグラフィステップによって構造化することができる。

一実施形態によれば、変換要素は、量子井戸デバイス構造（quantum well device architecture）を備えている。したがって、極めて薄い変換要素または変換層を作製することができる。

一実施形態によれば、本オプトエレクトロニクス半導体部品は、動作時に白色放射を放出する。白色放射は、第１の放射と第２の放射の和である。これに代えて、本オプトエレクトロニクス半導体部品は第２の放射のみを放出し、この場合、第１の放射が第２の放射に完全に変換される。このコンセプトは、完全変換とも称される。

一実施形態によれば、本オプトエレクトロニクス半導体部品は、半導体積層体を変換要素に接着する接着剤層を備えていない。言い換えれば、変換要素は、何らの接着剤層なしに半導体積層体の上に直接形成される。接着剤層が存在しない結果として、変換要素が半導体積層体に直接結合しており、変換要素と半導体積層体との間の、より良好な熱接合（thermal joint）と、より良好な熱結合（thermal connection）とがもたらされる。

一実施形態によれば、変換要素は、半導体積層体の表面全体に形成される。次に、この表面から変換要素が部分的に除去され、除去された変換要素の領域に第３の半導体材料が形成される。第３の半導体材料は、動作時に第３の放射を放出し、この場合、第２の放射と第３の放射は互いに異なる。これに代えて、第２の放射と第３の放射が、同じ主波長を有する。

一実施形態によれば、第２の放射および／または第３の放射は、緑色または赤色のスペクトル領域内に主波長を有する。したがって、半導体積層体の上に直接、赤色のピクセルと緑色のピクセルを互いに隣に作製することができる。すなわち、第２の半導体材料と第３の半導体材料が一平面内に配置される。これとは対照的に、ウェハ接合工程では、赤色のピクセルと緑色のピクセルは異なる平面内にあり、側面視において異なる高さを有する。

変換材料の種類が半導体積層体の種類に類似しているため、共通の工程が予測される。言い換えれば、同じ材料を使用することができる（すなわち同じ化学物質を使用して同じ要素を得る）。したがって工程が単純になる。成長もより良好に行うことができる。

一実施形態によれば、変換要素は粗面化される。したがって、放射の取り出しを最適化することができる。

一実施形態によれば、本オプトエレクトロニクス半導体部品は吸収層を備えている。吸収層は、青色放射を吸収することができる。吸収層は、変換要素の上に配置することができる。吸収層は、第１の放射を吸収することができる。これにより、純色が保証される。

一実施形態によれば、変換要素の除去は、レーザリフトオフによって実行することができる。レーザリフトオフのプロセスは、当業者には公知であり、したがって詳しくは説明しない。

本発明は、オプトエレクトロニクス半導体部品をさらに特許請求する。本オプトエレクトロニクス半導体部品は、特に、上述した方法によって製造可能である。したがって、本方法に関して記載されているすべての実施形態および定義は、本オプトエレクトロニクス半導体部品にも有効であり、逆も同様である。

以下では、オプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法と、オプトエレクトロニクス半導体部品とについて、図面を参照しながら例示的な実施形態に基づいてさらに詳しく説明する。この場合、同じ参照符号は個々の図において同じ要素を示している。この場合、縮尺との関係は示していない。しかしながら、より深く理解できるようにする目的で、個々の要素を誇張した大きさで示してあることがある。

図１Ａ）、図１Ｂ）は、本明細書に記載されているオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法の概略図を示している。 図２Ａ）、図２Ｂ）は、本明細書に記載されているオプトエレクトロニクス半導体部品の例示的な実施形態の概略断面図を示している。 図３Ａ）、図３Ｂ）、図３Ｃ）は、本明細書に記載されているオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法の概略図を示している。

図１は、少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法の例示的な実施形態を概略的に示している。最初に、第１の半導体材料１１を含む半導体積層体１を設ける。第１の半導体材料は、エピタキシャル材料（例えばインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ））とすることができる。第１の半導体材料は、動作時に第１の放射（例えば青色スペクトル領域の主波長を有する）を放出することができる。冷間法３によって変換要素２を形成する。変換要素２は、半導体積層体１の上に、特に、半導体積層体の放射面の上に、少なくとも部分的に形成する。これに代えて、変換要素２を、半導体積層体１の上に完全に形成する。変換要素２は、第１の放射１２の主波長よりも大きい主波長を有する第２の放射２２を有する第２の半導体材料２１、を含む。第２の半導体材料２１も、インジウムガリウム窒化物とすることができ、ただし第２の半導体材料のインジウム含有量は、第１の半導体材料１１のインジウム含有量より高い。第２の半導体材料２１のインジウム含有量は、３０原子％〜６０原子％の範囲内（例えば５０原子％）とすることができる。

少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品１００が、説明したこのような方法から得られる。

図１Ｂは、オプトエレクトロニクス半導体部品１００，１０１，１０２の概略的な例示的な実施形態を示している。変換要素を形成するステップの後に得られる集合体は、複数のオプトエレクトロニクス半導体部品１００，１０１，１０２を形成する目的で切り離すことができる。第１の半導体材料は、基板４（例えばサファイアウェハ）の上に成長させることができる。サファイアウェハは、後から除去することができる。

図２Ａは、従来技術から公知であるオプトエレクトロニクス半導体部品の例示的な実施形態を示している。この半導体部品は、接着剤層５を介して変換要素２に接着されている半導体積層体１を備えている。接着剤層は、シリコーンとすることができる。接着剤層は、極めて厚く、したがって画素ＬＥＤコンセプトにおいてクロストークを防止しない。したがって、より薄い構造が必要とされている。このことは、請求項１に記載の方法と、請求項１８に記載のオプトエレクトロニクス半導体部品によって達成される。

図２Ｂは、本明細書に記載されているオプトエレクトロニクス半導体部品１００の例示的な実施形態を概略的に示している。このオプトエレクトロニクス半導体部品１００は、図１Ａに従った部品とは、変換要素２の表面２３が異なる。変換要素２の表面２３は構造化されている。この構造は、フォトリソグラフィステップによって形成することができる。したがってマイクロピクセル変換を可能にすることができる。

図３Ａ〜図３Ｃは、オプトエレクトロニクス半導体部品１００を製造する方法の例示的な実施形態を示している。図３Ａは、半導体積層体１と、半導体積層体１の上に直接配置されている変換要素２とを示している。半導体積層体１の表面全体に変換要素２を形成した後、半導体積層体１の表面から変換要素２を部分的に（特に縞状に）除去する（図３Ｂを参照）。その後、除去した変換要素２の領域に第３の半導体材料６を形成することができ、この第３の半導体材料６は、動作時に第３の放射を放出する。特に、第２の放射と第３の放射は互いに異なる。例えば、第２の放射は、赤色のスペクトル領域の主波長を備えており、第３の放射は、緑色のスペクトル領域の主波長を有することができる。したがって、半導体積層体１の上に直接、赤色ピクセルと緑色ピクセルを互いに隣に、同じ高さに、または一平面内に、作製することができる。

半導体積層体１は青色放射を放出することができ、変換要素２は赤色放射または緑色放射を放出することができ、第３の半導体材料６は緑色放射または赤色放射を放出することができ、したがってオプトエレクトロニクス半導体部品１００は、動作時に白色放射を放出する（図には７として表してある）。

本発明は、例示的な実施形態に基づく説明によって制限されない。むしろ本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せ（特に特許請求項における特徴の任意の組合せを含む）を包含しており、これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が特許請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に開示されていない場合であっても、本発明に含まれる。

［関連出願］
本特許出願は、米国出願番号６２／４２５，５７４の出願の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照により本明細書に組み込まれている。

１００，１０１，１０２ オプトエレクトロニクス半導体部品
１ 半導体積層体
２ 変換要素
３ 冷間法
４ 基板
５ 接着剤または接着剤層
６ 第３の半導体材料
７ 放射の和
１１ 第１の半導体材料
１２ 第１の放射
２１ 第２の半導体材料
２２ 第２の放射
２３ 変換要素の表面
６１ 第３の放射

Claims (18)

1. 少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体部品を製造する方法であって、
   − 半導体積層体を設けるステップであって、前記半導体積層体が第１の半導体材料を含み、前記第１の半導体材料が動作時に第１の放射を放出する、ステップと、
   − 前記半導体積層体の上に少なくとも部分的に変換要素を冷間法によって形成するステップと、
   を含み、
   前記変換要素が第２の半導体材料を含み、
   動作時に前記第２の半導体材料が前記第１の放射を第２の放射に変換する、
   方法。
2. 前記第１の半導体材料および前記第２の半導体材料それぞれがインジウムを含み、前記第１の半導体材料のインジウム含有量が、前記第２の半導体材料のインジウム含有量より少ない、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の半導体材料の前記インジウム含有量が、３０原子％と６０原子％の間（両端値を含む）である、
   請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記変換要素が、２０ｎｍ〜２００ｎｍの層厚を有する層として形成される、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記冷間法が、５５０℃の最大温度で実行される、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記冷間法が、スパッタリングまたはパルスレーザ堆積法である、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第２の半導体材料が、次の群、すなわち、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、から選択される、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記半導体積層体が、基板上にエピタキシャル成長される、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第１の半導体材料が、Ａｌ_ｎＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｇａ_ｍＮであり０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１である、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１の放射が、青色のスペクトル領域および／または紫外線のスペクトル領域の主波長を有する、
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第２の放射が、前記第１の放射の前記主波長より大きい主波長を有する、
    請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記変換要素を形成した後に集合体が形成され、次いで、複数のオプトエレクトロニクス半導体部品を形成する目的で前記集合体が切り離される、
    請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記変換要素が表面を備えており、前記表面が、自身が前記半導体積層体とは反対を向くように配置されており、構造化される、
    請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記オプトエレクトロニクス半導体部品が、動作時に白色放射を放出する、
    請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記変換要素と前記半導体積層体との間に接着剤層が配置されていない、
    請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記変換要素が前記半導体積層体の表面全体に形成され、次いで、前記変換要素が前記表面から部分的に除去され、次いで、前記除去された変換要素の領域に第３の半導体材料が形成され、前記第３の半導体材料が、動作時に第３の放射を放出し、前記第２の放射と前記第３の放射が互いに異なる、
    請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記変換要素の前記除去が、レーザリフトオフによって実行される、
    請求項１６に記載の方法。
18. 請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の方法によって製造可能であるオプトエレクトロニクス半導体部品。

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