JP5468203B2 - 第３族窒化物デバイスを製造する方法およびその方法を使用して製造されたデバイス - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイスを製造する方法に関し、より詳細には、成長基板が反応性イオンエッチングによって取り除かれる薄膜半導体デバイスを製造する方法に関する。
第３族窒化物材料系の半導体材料の製造における改善では、高効率の青、緑、および紫外（ＵＶ）光発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザなどのＧａＮ／ＡｌＧａＮ光電子デバイス、および高出力マイクロ波トランジスタなどの電子デバイスの開発に関心が集まっている。ＧａＮのいくつかの利点は、その３．４ｅＶの広い直接バンドギャップ、高い電子速度（２×１０７ｃｍ／ｓ）、高い降伏電圧（２×１０６Ｖ／ｃｍ）、およびヘテロ構造の利用可能性である。
ドープ層を横切ってバイアスが印加されると、電子および正孔が活性層に注入されるように、一般的なＬＥＤは、ｐ型ドープ層とｎ型ドープ層との間にはさまれた活性層を含むことができる。電子および正孔は、活性層で再結合し、ＬＥＤ構造を構成する材料内で全方向に光を放射する「発光球」内で全方向に光を発生させる。一般的なＬＥＤは、活性領域から効率的に光を発生するが、光は、ＬＥＤ材料とその周囲との間の屈折率差のために、ＬＥＤから周囲への発光が困難である。一般的な厚みの層および領域を有するＬＥＤにおいて、表面の方向で約２０°幅の円錐（ｃｏｎｅ）に形成された光子だけが、外部に出られる。残りの光は、ＬＥＤ構造内に捕らえられ、最終的には半導体材料内で吸収されるようになる。ＬＥＤ材料に戻って吸収される光は、ＬＥＤの全体的な発光効率を低減する光生成における損失である。
一般的なＬＥＤの発光効率を改善するための様々な方法が開発され、それらのいくつかは、非平面に形成されたＬＥＤを使用すること、およびＬＥＤの放出表面を粗くすることを含む。これら両方のアプローチは、ＬＥＤの活性領域からの光が光と表面との間の角度がさまざまである表面に到達するように、異なる角度を有するＬＥＤ表面を提供することによって発光効率を改善する。これは、光がＬＥＤから放出されるように、光が表面に到達するときに２０°の円錐内にある可能性を増大させる。光が２０°の円錐内に無い場合は、光は異なる角度で反射され、光が次に表面に到達する際に円錐内にある可能性を増大させる。
発光効率は、また共振空洞（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｖｉｔｙ）ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）において共振空洞構造を使用することによって強化される。ＲＣＬＥＤは、一般に開示されており（例えば、非特許文献１参照）、対向するドープされた層がミラー間にはさまれるように、一般に２つの対向するドープされたエピタキシャル層と対向するドープされた層上のミラーとを含む。ミラーの１つは、光が、より低い反射率のミラーを通ってＲＣＬＥＤを出るように、他方のミラーの反射率より低い反射率を有する。他の実施形態において、エピタキシャル活性領域は、対向するドープされた層間に含まれることができる。
ＲＣＬＥＤは、一般に標準のＬＥＤより非常に薄いエピタキシャル層を含み、共振空洞効果は、エピタキシャル層の厚みが、エピタキシャル層によって生成された光の１つの波長に近いときに現れる。共振空洞で生成された光は、放出された全ての光が指向性を有して放出されるように、定常波を形成する。この指向性光の放出は、ダイオード接合部によって形成された面に対して実質的に垂直な方向に光子を放出する。
この構造は、ＲＣＬＥＤが、従来のＬＥＤに比べてより高い、空洞の軸（すなわち、半導体表面に垂直方向）に沿った光強度を放出することを可能にする。ＲＣＬＥＤの発光スペクトルは、従来のＬＥＤに比べてより高いスペクトル純度を有し、ＲＣＬＥＤの発光ファーフィールドパターン（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ）は、標準のＬＥＤに比べてより指向性が強い。
所定の材料系のＲＣＬＥＤを製造するとき、エピタキシャル層の向い側に２つのミラーを堆積する試みがある。対向するドープされた層（および活性領域）は、一般に金属有機物化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）の反応器内のエピタキシャル成長などの知られている製造方法およびデバイスを使用して、基板上に形成される。これらの層が、基板上に堆積されると、２つのミラーのうちの第１のミラーを、通常ｐ型にドープされた層である頂部の最も新しい成長したエピタキシャル表面上に堆積させることができる。他方のドープされた第１の成長層の表面にミラー表面を配置することは容易では無い。なぜなら、その表面は、基板の成長表面と接触しているからである。ＲＣＬＥＤの層は、一般に薄く、第２のミラーが堆積されることができるように、それは、基板をエピタキシャル層から分離することが困難であり得る。基板上にミラーを堆積し、次にエピタキシャル層を成長させることは、ミラー材料とエピタキシャル層との間の結晶格子不整合のために、実際的ではない可能性がある。
エピタキシャル層上に第２のミラーを堆積する１つの方法は、第１に基板を取り除くことである。エピタキシャル層から基板を取り除く１つの技術が、記載されている（例えば、特許文献１参照）。ＧａＮの薄膜は、サファイヤ基板上にエピタキシャル成長され、基板は、次に、サファイヤは透過するがＧａＮは吸収する（例えば２４８ｎｍ波長）波長で走査されるビームで、レーザ照射される。しかしながら、放射の強度は、照射された領域を分離させないほど十分に低い。分離プロセスは、構造体をガリウムの溶融温度より上に加熱するなどによって、レーザ照射の完了後に実行される。発明の他の実施形態は、所望の膜と成長基板との間に犠牲材料（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ）の成長として説明される。光ビームは、次に、光ビームに対して透明である成長またはアクセプタ基板のいずれかの側方から照射することができる。
このアプローチの困難性は、特にサファイヤ基板上に成長させた半導体デバイスに適合させることである。第３族窒化物デバイスは、しばしば炭化ケイ素基板上に成長され、照射光ビームの波長が、炭化ケイ素によって吸収されないほど十分高い場合、波長は、ＧａＮによって吸収されるには高すぎることがある。これに対する代替案は、ＧａＮを励起する炭化ケイ素に対して透明である光の波長を見出すことである。しかしながら、ＧａＮと炭化ケイ素との間のバンドギャップの差は、炭化ケイ素を通る信頼性のある透過を可能にするが、ＧａＮによって吸収されるには狭すぎる。
本発明によるハイライト抽出フォトニックデバイスを製造する方法の一実施形態は、エピタキシャル半導体構造を有する基板上にエピタキシャル半導体デバイス構造を成長させるステップを含み、基板は、バイアスに応答して光を放出するように構成されたエミッタを含む。エピタキシャル半導体デバイス構造が、サブマウントと基板との間にはさまれるように、サブマウント上にエピタキシャル半導体構造および基板をフリップチップマウントする。基板をエッチングするエッチング環境を利用することによって、基板をエピタキシャル半導体デバイスからエッチングして除去するステップは、エピタキシャル半導体構造より実質的に速い。
本発明によるハイライト抽出フォトニックデバイスを製造する方法は、基板上にエピタキシャル半導体構造を成長させるステップと、エピタキシャル半導体構造が、第１のミラー層と基板との間にはさまれるように、エピタキシャル半導体構造上に第１のミラー層を堆積するステップとを含む。基板は、次に、基板をエッチング環境に導入することによって、エピタキシャル構造から取り除かれ、エピタキシャル半導体構造が、第１のミラー層と第２のミラー層との間にはさまれるように、第２のミラー層は、エピタキシャル半導体構造上に堆積される。
本発明による共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）の一実施形態は、薄膜エピタキシャル半導体構造と、エピタキシャル半導体構造の一方の表面上の第１のミラー層とを備える。第２のミラー層は、前記エピタキシャル半導体構造が、第１のミラーと第２のミラーとの間にはさまれるように、前記エピタキシャル半導体構造の他方の表面上に含まれ、第２のミラー層は、第１のミラー層より反射が少ない。サブマウントも含まれ、その第１および第２のミラーを有する前記エピタキシャル半導体構造は、サブマウント上にマウントされ、第１のミラー層が、サブマウントに隣接し、第２のミラー層が、主要な放出表面である。
第３族窒化物エピタキシャル半導体材料から炭化ケイ素基板を取り除く方法は、炭化ケイ素基板上に第３族窒化物エピタキシャル半導体材料を成長させるステップを含む。エッチング環境は、炭化ケイ素基板に導入され、エッチング環境は、炭化ケイ素がエッチング除去された後に、エッチングが実質的に停止するように、第３族窒化物エピタキシャル材料より速く炭化ケイ素をエッチングする。
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、添付の図面とともに行われる以下の詳細な記載から当業者には明らかになろう。
図１は、第３族窒化物半導体を製造するための本発明による方法１０の一実施形態を示し、方法１０は、第３族窒化物半導体デバイスの薄膜を製造するために特に構成される。ステップ１２において、多くの異なる材料で作られることができ、好ましい材料は炭化ケイ素である基板が提供される。ＳｉＣは、ＧａＮなどの第３族窒化物材料で使用するために適した材料である。なぜなら、ＳｉＣは、第３族窒化物のＧａＮに近い結晶格子整合を有し、一般に高い品質の第３族窒化物膜を結果として生じさせるからである。炭化ケイ素も、高い熱伝導率を有し、その結果、炭化ケイ素上の第３族窒化物デバイスの全体の出力が、（サファイヤ上に形成されるいくつかのデバイスの場合のように）基板の熱散逸によって制限されない。ＳｉＣ基板は、Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ、ＤｕｒｈａｍのＣｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．から入手可能であり、それらを作る方法は、科学文献ならびに特許に示されている（例えば、特許文献２、特許文献３、および特許文献４参照）。
ステップ１４において、第３族窒化物エピタキシャル層は、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）または有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）などの任意の知られている半導体製造プロセスを使用して、基板上に成長させられる。製造されるデバイスのタイプに応じて、基板と対向するエピタキシャル層の表面上に第１のミラー層を堆積することを含む任意選択のステップ１６が含まれる。以下の議論によって理解されるように、発光ダイオード（ＬＥＤ）が製造される場合、このミラーは、ＬＥＤの有用な光抽出を増大することを促進し、ＲＣＬＥＤが製造される場合、このミラーは、共振空洞効果を生じさせるために必要である。スパッタリングなどの従来の方法を使用して表面上に堆積されることができる、銀、金、ロジウム、白金、パラジウム、金すず、またはこれらの組合せなどの材料で作られた金属ミラーなどの異なるミラーが使用されることができる。代わりに、ミラーは一般に異なる屈折率を有する複数の２つの材料対を含む分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であり得る。屈折率における違いの結果として、フレネル反射が、各境界で生じる。それぞれでの反射は、全体ではなく、境界の数および異なる層の厚みのために、反射された波は、ＤＢＲが良好な反射率を提供するように強め合う干渉をする（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ）。ＤＢＲに使用される材料のタイプに応じて、それは、通常ＭＢＥまたはＭＯＣＶＤである、エピタキシャル層を製造するために使用されるのと同一の方法を使用して、頂部表面上に堆積されることができる。
ステップ１８において、場合によってエピタキシャル層の頂部表面またはミラーが、サブマウントに隣接するように、そのエピタキシャル層および第１のミラー層を有する基板が、サブマウントにフリップチップマウント（ｆｒｉｐ−ｃｈｉｐ ｍｏｕｎｔ）される。エピタキシャル層およびミラー層の表面は、一例が銀すず共晶（ｓｉｌｖｅｒ ｔｉｎ ｅｕｔｅｃｔｉｃ）である多くの知られている材料を使用して、基板に結合されることができる。サブマウントは、単一の構造のものであることができ、または多数の異なる構造部材を含むことができ、かつケイ素、炭化ケイ素、サファイヤ、ガラス、または金属などの異なる材料から作られることができる。サブマウントは、第３族エピタキシャル層を含むデバイスを駆動するための電子構成部品も含むことができる。
ステップ２０において、基板は、エピタキシャル層からエッチング除去され、好ましいエッチングは、高いエッチング速度で基板を選択的に取り除くが、非常に低いエッチング速度でエピタキシャル層をエッチングする組成である。本発明による好ましい一実施形態において、エッチング材料は、第３族窒化物エピタキシャル層のエッチングより何倍も速く炭化ケイ素をエッチングする、三弗化窒素であることができる。三弗化窒素のイオンは、第３族窒化物材料のその境界面まで炭化ケイ素を容易に取り除く。炭化ケイ素が取り除かれると、エピタキシャル層のエッチング速度が非常に低いので、エッチングは、本質的に停止する。
製造されるデバイスに応じて、ミラーをエッチングプロセスによって露出されたエピタキシャル層の表面に堆積させることができる代わりのステップ２２を含むことができる。このステップは、共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）、固体レーザ、または垂直方向空洞表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を製造するときに通常含まれる。
方法１０は、多くの異なる厚みを有する多くの異なる材料で作られるエピタキシャル層を有する、多くの異なる半導体デバイスの製造で用いることができる。方法１０は特に、ミラーが薄膜の反対側にある、ＲＣＬＥＤで使用される高品質の薄膜の第３族窒化物層の成長に適合される。第３族窒化物ＲＣＬＥＤを形成するとき、ＳｉＣ基板エピタキシャル層間の境界面にミラーを設けることは実施できない。なぜなら、ミラーは、認められる単結晶構造を有していないか、またはそれらミラーは、エピタキシャル層によって形成される結晶格子とは著しく異なる寸法の結晶格子を有する単結晶であるかのいずれかであるからである。結果として、結晶構造における不整合のために、ミラー表面上に高品質の薄い第３族窒化物層を製造することは困難である。
他方ではＳｉＣ基板は、第３族窒化物に対する良好な結晶格子整合を有し、一般に高品質の薄い第３族窒化物層を結果として生じる。薄いエピタキシャル層は、基板上の成長が続く処理ステップの間の支持体を必要とすることがあり、方法１０は、基板が所定の場所にあり、かつ薄層を支持する間に、第１のミラーが、エピタキシャル層の一表面上に堆積されることを可能にする。デバイスは、次に、サブマウントと層との間に第１のミラーを有する、サブマウント上にフリップチップされる。サブマウントは、基板がエッチング除去され、かつ第２のミラーが堆積される間に、追加の支持体を提供する。処理を通じてこの支持体を提供することによって、高品質の薄膜デバイスが、第３族窒化物材料系で製造されることができる。
図２は、方法１０を使用して製造される本発明によるＲＣＬＥＤ３０の一実施形態を示し、ＲＣＬＥＤ３０は、方法１０における１つの中間ステップで示される。ＲＣＬＥＤ３０は、炭化ケイ素基板３２を含み、炭化ケイ素基板３２は、エピタキシャル成長を固定するために使用され、その上にエピタキシャル成長が核形成される（ｕｎｃｌｅａｔｅ）第１の基板表面３４を有する。第１の基板表面３４は、次に、炭化ケイ素基板３２とエピタキシャルデバイス構造３６との間の境界面になる。この実施形態において、エピタキシャル構造３６は、炭化ケイ素基板３２上に直接成長されたｎ型ＧａＮ層３８と、ｎ型層３８の頂部に成長されたｐ型ＧａＮ層４０とを含む。他の実施形態において、活性領域が、ｎ型層とｐ型層との間に含まれることができる。ＲＣＬＥＤ３０は、ｐ型エピタキシャル層３２の露出された表面上に堆積された第１のミラー４２をさらに含む。ＲＣＬＥＤ１０は、図１の方法１０におけるステップ１６の後で、それが現れることができるように示される。
図３〜図７は、異なるミラー構造とともに、方法１０におけるステップ１６の後でそれが現れることができるように、本発明によるＲＣＬＥＤの異なる実施形態を示す。図３は、多くの同一の層およびＲＣＬＥＤ３０を有するＲＣＬＥＤ５０を示す。この図（および続く図）において同一であるこれらの層について、同一の参照符号が使用され、特徴は再び紹介されない。ＲＣＬＥＤ５０において、第１のミラー５２は、銀、金、ロジウム、白金、パラジウム、または金すず、あるいはこれらの組合せで作られることができるｐ型金属ミラーを含む。
図４は、ＲＣＬＥＤ３０と同一の多くの層も有するが、第１のミラー６２が方法１０で上述したようなＤＢＲである、ＲＣＬＥＤ６０の他の実施形態を示す。ＤＢＲの第１のミラー６２は、異なる厚みおよび異なる屈折率を有する多くの異なる層対で作られることができ、ＤＢＲの第１のミラー６２は、１／４波長厚みのｐ型二酸化ケイ素６４およびｐ型酸化チタン６６の交互の誘電体層で好ましくは作られる。本発明によるＤＢＲの第１のミラー６２の他の実施形態は、二酸化ケイ素と五酸化タンタルの交互の誘電体層を含む。ＧａＮで作られるデバイス構造３６とＤＢＲの第１のミラー６２を形成する層６４、６６との間の屈折率における差異は、ＤＢＲの第１のミラー４２が、有効に光を反射するのに十分であり、より少ないまたはより多い対を有するＤＢＲの第１のミラー６２も使用されることができるが、２個から４個の交互層の対であり、交互層の対の適切な数は３個である。これらの層の厚みは、バイアスがｎ型層およびｐ型層３８、４０を横切って印加されたとき、エピタキシャルデバイス構造３６によって生成される光の１／４波長に対応する。
図５は、エピタキシャル材料で作られた交互の対を有する、ｐ型の交互対で作られたＤＢＲである第１のミラー７２を有するＲＣＬＥＤ７０の他の実施形態を示す。ｐ型ＧａＮ７４とｐ型窒化アルミニウム７６の交互対を含むＤＢＲの第１のミラー７２とともに、多くの異なる交互対が使用されることができる。ＤＢＲの第１のミラー７２の他の実施形態において、アルミニウム合金窒化物が、窒化アルミニウムの代わりに使用されることができる。エピタキシャルデバイス構造３６と、ＤＢＲの第１のミラー７２を含む材料との間の屈折率差は、ミラー７２が、層対の適切な数は１０個であり、１／４の波長の厚みにほぼ等しい８個から１２個の層対を必要とするようなものである。ＤＢＲは、より少ないまたはより多い層対でも作用することが理解される。
第３族窒化物ＬＥＤを製造するときに、ＬＥＤが均一に光を放出するように、電流が、ｎ型層およびｐ型層の全体の接点から拡散することを確実にすることが関心事である。ｎ型第３族窒化物材料は、良好な導体であり、電流は、一般的にその接点から層全体に拡散する。対照的にｐ型第３族窒化物材料は、良好な導体ではなく、電流は、特により大きなデバイスについては、接点からの拡散に困難性を有する。図３における金属ミラー５３は、良好な導体であり、ｐ型層全体に接点から電流を拡散する。しかしながら、図４および図５で上述されたｐ型ＤＢＲミラー６２、７２は、有効に電気を伝導せず、接点からｐ型層全体への電流拡散に困難性を有する。
図６は、接点から電流を拡散するために金属メッシュ８６を有するＤＢＲ８４を含む、ＤＢＲｐ型の第１のミラー８２を、ｐ型層４０内への電流の拡散を強化するための金属ミラーと組み合わせるＲＣＬＥＤ８０を示す。ＤＢＲ８４は、高い反射率を有するのに適した厚みの十分な数の層で、エピタキシャル構造３６上に堆積される。ｐ型層４０の表面を横切って延びかつ相互接続されるチャネルが、次に、通常エッチングによってＤＢＲ８４内に開口される。これらのチャネルは、次に、金属メッシュ８６を形成するために金属ミラー材料で充填される。ＤＢＲ８４は、金属８６のより高い反射率を有するが、金属８６とＤＢＲ８４との組合せは、十分な反射率と良好な電流拡散を有する層を含む。図７は、ＤＢＲ８４と金属メッシュ８６の頂部表面を示す、ＲＣＬＥＤ８０の上面図である。金属メッシュは、チャネルに垂直にかつチャネルを相互接続して示されるが、メッシュは、多くの異なるチャネル構成を有することができる。
図８は、図１の方法１０におけるステップ１８に従って、サブマウント上にフリップチップマウントされた後のＲＣＬＥＤ９０を示す。ＲＣＬＥＤは、図２におけるＲＣＬＥＤ３０と同一の多くの特徴を有し、図３〜図７に示されるように、同一の参照符号は、同一の特徴について使用される。ＲＣＬＥＤ９０は、図２〜図７に関連して上述されたＲＣＬＥＤの任意の１つであることができ、サブマウント９２にフリップされかつボンディング層／材料９４によってサブマウント９２に付着され、ミラー層９６がサブマウント９２に隣接する。本発明による一実施形態において、ボンディング層／材料９４は、銀すず共晶を含むサブマウントエポキシ材料を含む。上述のように、サブマウント９２は、ケイ素、炭化ケイ素、サファイヤ、ガラス、または金属を含む多くの構造部材の１つであり得る。
ＲＣＬＥＤ９０が、サブマウント９２にボンディングされると、基板３２は、好ましくはエッチングによって、構造３６から取り除かれることができる。そのサブマウント９２を有するＲＣＬＥＤ９０（以降、「ＲＣＬＥＤ９０」と呼ばれる）は、速い速度で基板３２をエッチングし、かつ遅い速度でエピタキシャル層をエッチングする、反応性イオンエッチング環境９８を有する反応性イオンエッチングチャンバ内に配置されることができる。本発明によるエッチング環境の一実施形態は、三弗化窒素のイオンを含み、イオンは、エピタキシャルデバイス構造３６の表面が、この場合にはｎ型エピタキシャル層の表面に到達するまで、ＲＣＬＥＤ３０から炭化ケイ素基板１２を容易に減らし、かつ取り除く。炭化ケイ素に関するエッチング速度は、ＧａＮのエッチング速度より著しく早いので、全ての炭化ケイ素基板１２が取り除かれると、エッチングは、本質的に終了する。
図９は、図１の方法１０におけるステップ２０の後の反応性イオンエッチングによって基板が取り除かれた、図８のＲＣＬＥＤ９０を示す。一実施形態における反応性イオンエッチングは、エピタキシャル成長または第２のミラーのための金属の堆積を受ける準備状態で、半導体３０の頂部表面を残すことができる。
図１０〜図１５は、異なるＲＣＬＥＤが異なるタイプの第２のミラーを含む、図１の方法１０のステップ２２の後の本発明によるＲＣＬＥＤの異なる実施形態を示す。図１０は、ｎ型層３８の新たに露出された表面上に第２のミラー層１００を有する、図９のＲＣＤＬＥＤ９０の一実施形態を示す。第２のミラー層１００は、ｎ型金属ミラー、ｎ型ＤＢＲ、またはｎ型エピタキシャルブラッグ反射器などの多くの異なるミラーのタイプであることができる。しかしながら、第２のミラー層１００は、光が、第２のミラー層１００を通ってＲＣＬＥＤを出るように、第１のミラーより低い反射率を有するべきである。図１１に示されるように、第１のミラー層９６は、また、金属層、ｐ型ブラッグ反射器ＤＢＲ、またはｐ型エピタキシャルミラーのいずれかであることができる。メタライゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）層１０２は、第２のｎ型ミラー層１００の露出された表面上に堆積されることができ、ボンディングのために金、銀、ロジウム、パラジウム、白金、または金すずのいずれかであることができる。
図１２〜図１５は、それぞれ異なるタイプの第２のミラー層を使用する、本発明によるＲＣＬＥＤの実施形態を示す。図１２は、上述されかつ図３に示されるミラー層５２と同一の材料で作られることができるその第２のミラー層１１２のためのｎ型金属を使用する、本発明によるＲＣＬＥＤ１１０を示す。図１３は、その第２のミラー層１２２としてｎ型ＤＢＲを使用する、本発明によるＲＣＬＥＤ１２０を示す。ＤＢＲミラー層は、図４に示されるｐ型のＤＢＲの第１のミラー６２に類似し、多くの異なる交互対で作られることができるが、好ましくは、二酸化ケイ素層１２４および二酸化チタン１２６のほぼ３個の交互対で作られる。図１４は、その第２のミラー層１３２としてＤＢＲをまた使用する、本発明によるＲＣＬＥＤ１３０を示し、第２のミラー層１３２は、図５におけるＤＢＲの第１のミラー層７２に類似し、ｎ型ＧａＮ１３４およびｎ型窒化アルミニウム１３６のほぼ１０個の対を含む。
電流拡散は、ｎ型第３族窒化物材料に関する懸念ほどは大きくなく、電流拡散構造は、第２のミラー層に含まれることもできる。図１５および図１６は、本発明によるＲＣＬＥＤ１４０のある実施形態を示し、第２のミラー層１４２は、上述されかつ図６および図７に示されるＤＢＲ８４および金属メッシュ８６に類似する金属メッシュを有するｎ型ＤＢＲ１４４を含み、金属メッシュ８６は、ｎ型エピタキシャル層３８全体に良好な電流拡散を与える。
図１７〜図２０は、図１の方法１０を使用して製造されることができる本発明によるＲＣＬＥＤの異なる実施形態を示す。示されるＲＣＬＥＤそれぞれにおいて、第１のミラー層は、金属ミラー堆積物、ｐ型ＤＢＲ、またはｐ型エピタキシャルＤＢＲのいずれかであることができる。同様に、ＲＣＬＥＤそれぞれにおいて、第２のミラー層は、ｎ型金属ミラー、ｎ型ＤＢＲ、またはｎ型エピタキシャルＤＢＲであることができる。これらの図において、第２のミラー層の選択は、第１のミラー層の選択によって制約されず、逆もまた同じである。例えば、第２のミラー層は、第１のミラー層がｐ型ＤＢＲであるときに、ｎ型金属ミラーであることができる。
図１７は、図１の方法１０を使用して製造されることができる本発明によるＲＣＬＥＤ１５０の一実施形態を示す。上述のように、ＲＣＬＥＤは、エピタキシャル構造３６が、構造３６によって放出される光のほぼ一波長の厚みを有し、薄い必要がある。方法１０は、特にＲＣＬＥＤに適合した高品質の第３族窒化物の薄層の製造を提供する。第１のミラー層１５２および第２のミラー層１５４は、上述されたミラー層のいずれかであることができ、ＲＣＬＥＤ１５０は、第２のミラー層１５４上に接触金属層１５６も含む。ｐ型層４０は、ＲＣＬＥＤ１５０が、サブマウント９２および接触金属層１５６を横切って印加されるバイアスに応答して光を放出するように、サブマウント９２を通して接触されることができる。
図１の方法１０は、ＲＣＬＥＤにおけるエピタキシャル層より厚いエピタキシャル層を有するデバイスの製造に使用されることもできる。図１８は、方法１０によって製造される本発明による標準のＬＥＤ１６０の一実施形態を示す。エピタキシャル構造１６２は、上記ＲＣＬＥＤにおけるエピタキシャル構造３６の寸法より著しく大きい寸法を有するが、方法１０は、より厚い層を有するデバイスの製造に対して同様に適合される。ＬＥＤ１６０が、構造１６２における反対にドープされた層の一方に電流を提供するために、ｎ型接点１６４も有し、反対にドープされた層の他方は、サブマウント１６６を通して接触される。
方法１０は、光抽出を強化する他の特徴を有するエピタキシャルデバイスの製造にも使用されることができる。図１９は、形状形成された側部表面１７２、１７４を有し、かつその主要な放出表面１７６で荒らされたＬＥＤ１７０のある実施形態を示す。ＬＥＤ１７０は、一般に、基板取り除き方法１０が完了した後で、形状形成されかつ荒らされる。ＬＥＤ１７０を形状形成し、かつ粗くすることは、表面に当たりかつデバイスから光を放出するために漏れる光の部分を増大することによって、ＬＥＤ１７０の光抽出を増大する。
本明細書に記載される全てのデバイスは、追加の層および特徴とともに製造されることもでき、それらの１つが、静電放電（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、ＥＳＤ）からデバイスを保護するための構造である。図２０は、図１９のＬＥＤ１７０に類似するが、サブマウント１８４と第１のミラー層１８６との間に配置されたツェナーダイオード１８２を含むＬＥＤ１８０を示す。ツェナーダイオード１８２は、サブマウント製造の間にサブマウント１８４に集積され、ＬＥＤを通る電流の流れを一方向だけに制限する。示されるＬＥＤは、ある角度にされた側部表面１８６、１８７および荒らされた放出表面１８８も有する。方法１０を使用してＬＥＤ１８０を製造するとき、サブマウント１８４に、ツェナーダイオード構造１８２が提供され、デバイスがサブマウント１８４にフリップチップマウントされるとき、ツェナーダイオード構造１８２が、デバイスに集積される。結果として得られる構造は、高い光抽出効率および高いＥＳＤレーティングを提供する。ツェナーダイオード構造は、上述のＲＣＬＥＤの異なる実施形態、ならびに垂直方向の空洞表面発光レーザおよびレーザダイオードを含む、本発明による多くの異なるデバイスに含まれることができることは理解される。
方法１０は、垂直方向の空洞表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの他のデバイスを製造するために使用されることもできる。図２１は、方法１０によって製造された本発明によるＶＣＳＥＬ１９０の一実施形態を示す。この実施形態において、第１のミラー層表面１９２および第２のミラー層表面１９４は、ＤＢＲミラーである。第１のＤＢＲミラー１９２は、エポキシエポキシ／メタライゼーション９４によってサブマウント９２に接着されて示される。この実施形態の量子井戸構造は、アルミニウムインジウムガリウム窒化物から製造されることができる下側クラッド層１９６を有する単一の量子井戸である。量子井戸１９８は、下側クラッド層１９６上に配置され、量子井戸１９８は、一実施例において、インジウムガリウム窒化物から製造されることができる。上側クラッド層２００は、量子井戸が上側クラッド層２００と下側クラッド層１９６との間にはさまれるように、量子井戸１９８上に配置される。上側クラッド層２００は、アルミニウムガリウム窒化物から製造されることができる。
第２のＤＢＲミラー層１９４は、上側クラッド層２００の頂部上に堆積される。この構造は、円形または矩形であり得る分離された柱を形成するためにエッチング除去されることができる。これらの分離された柱は、次に、分離エピタキシャル成長２０２によってさらに分離されることができる。一実施形態において、分離材料が、イオン注入されることができる。注入は、アニーリングを必要とするセル間の結晶構造を損傷する可能性がある。デバイスは、メタライゼーション２０４とともに頂部が取られる。メタライゼーションは、支持のために分離構造を使用するが、分離構造が電気を伝導しないので、メタライゼーションは、少なくとも部分的にミラー１９４と接触しなければならない。
本発明は、その所定の好ましい構成を参照してかなり詳細に記載されたが、他の変形例が可能である。本発明による方法は、多くの異なるデバイスを製造するために使用されることができ、上述されたデバイスは、多くの異なる層構成を有することができる。したがって、添付の請求項の精神および範囲は、本明細書における好ましいバージョンに制限されるべきではない。
Claims (18)
- 発光ダイオードまたは半導体レーザを製造する方法であって、
炭化ケイ素基板上に、ｐ型ドープ層、活性層及びｎ型ドープ層からなる第３族窒化物半導体デバイス構造をエピタキシャル成長させるステップと、
三弗化窒素（ＮＦ 3 ）を含むエッチング環境でエッチングすることにより、前記炭化ケイ素基板を取り除くとともに、前記第３族窒化物半導体デバイス構造の前記炭化ケイ素基板に接する面を、該面からの光抽出が増大するように粗くするステップと、
前記第３族窒化物半導体デバイス構造の、前記粗くされた面とは反対側の面に第１のミラー層を配置するステップと、
前記第１のミラー層の上にサブマウントをフリップチップマウントするステップと、
を有することを特徴とする方法。 - 前記第１のミラー層は、前記フリップチップマウントするステップの後で、前記第３族窒化物半導体デバイス構造と前記サブマウントとの間ではさまれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第１のミラー層は、反射性金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第１のミラー層は、複数の誘電体材料の交互層対を含む分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記炭化ケイ素基板が取り除かれた後、前記第３族窒化物半導体デバイス構造上に第２のミラー層を堆積するステップをさらに含み、前記第２のミラー層は、前記第３族窒化物半導体デバイス構造が、前記サブマウントと前記第２のミラー層との間ではさまれるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第２のミラー層は、反射性金属を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記第２のミラー層は、複数の誘電体材料の交互層対を含む分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記第３族窒化物半導体デバイス構造をエピタキシャル成長させるステップは、
前記炭化ケイ素基板上に第１の第３族窒化物半導体層を成長させるステップと、
前記第１の第３族窒化物半導体層上に第２の第３族窒化物半導体層を成長させるステップと
を含み、前記第１の第３族窒化物半導体層が、前記炭化ケイ素基板と前記第２の第３族窒化物半導体層との間にはさまれることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記第３族窒化物半導体デバイス構造をエピタキシャル成長させるステップは、薄いドープされた層を成長させるステップと、共振空洞光発光ダイオードを形成するステップとを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 発光ダイオードまたは半導体レーザを製造する方法であって、
炭化ケイ素基板上に、ｐ型ドープ層、活性層及びｎ型ドープ層からなる第３族窒化物半導体デバイス構造をエピタキシャル成長させるステップと、
前記炭化ケイ素基板を、三弗化窒素（ＮＦ 3 ）を含むエッチング環境に導入することによって、前記第３族窒化物半導体デバイス構造から前記炭化ケイ素基板を取り除くとともに、前記第３族窒化物半導体デバイス構造の前記炭化ケイ素基板に接する面を、該面からの光抽出が増大するように粗くするステップと、
前記第３族窒化物半導体デバイス構造の、前記粗くされた面とは反対側の面に前記第１のミラー層を配置するステップと、
前記第３族窒化物半導体デバイス構造が、前記第１のミラー層と第２のミラー層との間にはさまれるように、前記第３族窒化物半導体デバイス構造上に前記第２のミラー層を堆積するステップと
を有することを特徴とする方法。 - 発光ダイオードまたは半導体レーザを製造する際に、第３族窒化物エピタキシャル半導体材料から炭化ケイ素基板を取り除く方法であって、
前記炭化ケイ素基板上に、ｐ型ドープ層、活性層及びｎ型ドープ層からなる第３族窒化物エピタキシャル半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、
前記炭化ケイ素基板がエッチングされて取り除かれた後にエッチングが実質的に停止する、三弗化窒素（ＮＦ 3 ）を含むエッチング環境に前記炭化ケイ素基板を導入するステップと、
前記エッチング環境でエッチングすることにより、前記炭化ケイ素基板を取り除くとともに、前記第３族窒化物エピタキシャル半導体材料の前記炭化ケイ素基板に接する面を、該面からの光抽出が増大するように粗くするステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記第１のミラー層を配置するステップは、前記炭化ケイ素基板と対向する前記第３族窒化物半導体デバイス構造の表面上に前記第１のミラー層を堆積することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第１のミラー層を配置するステップは、前記炭化ケイ素基板と対向する前記第３族窒化物半導体デバイス構造の表面上に前記第１のミラー層を堆積することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 前記第２のミラー層は、前記第１のミラー層より反射が少ないことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 発光ダイオードまたは半導体レーザを製造する方法であって、
単結晶炭化ケイ素基板上に、ｐ型ドープ層、活性層及びｎ型ドープ層からなる第３族窒化物半導体デバイス構造をエピタキシャル成長させるステップと、
前記単結晶炭化ケイ素基板を、三弗化窒素（ＮＦ 3 ）を含むエッチング環境を利用して、前記単結晶炭化ケイ素基板を前記第３族窒化物半導体デバイス構造からエッチングして除去するとともに、前記第３族窒化物半導体デバイス構造の前記単結晶炭化ケイ素基板に接する面を、該面からの光抽出が増大するように粗くするステップと、
前記第３族窒化物半導体デバイス構造の、前記粗くされた面とは反対側の面に第１のミラー層を配置するステップと、
前記第１のミラー層の上にサブマウントをフリップチップマウントするステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記第１のミラー層を配置するステップは、前記単結晶炭化ケイ素基板と対向する前記第３族窒化物半導体デバイス構造の表面上に前記第１のミラー層を堆積することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
- 前記単結晶炭化ケイ素基板が除去された後、前記第３族窒化物半導体構造上に第２のミラー層を堆積するステップをさらに含み、前記第２のミラー層は、前記第３族窒化物半導体デバイス構造が、前記サブマウントと前記第２のミラー層との間ではさまれるように配置されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
- 前記前記第２のミラー層は、前記第１のミラー層より反射が少ないことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
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