JP2007201516A - 光放射デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】オプトエレクトロニクス及び自動車用のエレクトロニクスにおいて使用される光放射デバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの活性層を含み、エピタキシャルに析出された多重層と、該多重層の裏側の上に形成された第１の金属コンタクト層と、ヘテロ基板の表側の上に形成された第２の金属コンタクト層と、第１の金属コンタクト層と第２の金属コンタクト層との間の電気的および機械的接触を生ずるろう層とを備え、ヘテロ基板はシリコンへテロ基板である。
【選択図】図３

Description

本発明は、光放射デバイスに関する。

例えばＧａＡｓから成る半導体基板上に、活性層を含み、光を放射する多重層をエピタキシャルに析出した、光を放射する半導体デバイスは、ＩＩＩ‐Ｖ族半導体系を基礎として形成される。この活性層は、例えば種々のアルミニウム濃度を有するＩｎＧａＡｌＰから成る。エピタキシャルに被着させた多重層を基板から再びいわゆるエピタキシャル‐リフトオフ法によって除去し、他の基板（ヘテロ基板）上に良好な電気的接触を形成するように固着することが極めて多くの用途にとって不可欠である。所望の用途及びそれに使用される製造技術により、個別のデバイスの場合にも、モノリシック集積回路の場合にも種々の問題点を解決することができる。半導体チップから放射される可視光線は、例えばＧａＡｓから成る基板の主要な部分に吸収され、それにより外部発光効率は最低となる。従って典型的には５ｌｍ及びそれ以上の最高の光強度及び典型的には１０％以上の効率を達成するために、放射された光を透過する基板（例えばＧａＰから成る）が優先される。同時にエピタキシャル多重層とヘテロ基板との間に、ＬＥＤ（発光ダイオード）半導体チップの全順方向電圧が最小で高電流が生じたときにも良好な電気的接続が望まれ、また製造時には高収量が望まれる。このような個別の半導体デバイスの代表的な用途には、自動車の外部照明や灯火等がある。更にオプトエレクトロニクス集積回路の実現は、最小のＩＩＩ‐Ｖ族半導電体から成るエピタキシャル層をシリコンベースの集積回路内に収容することにより可能となる。この場合ＩＩＩ‐Ｖ族半導体素子をシリコン素子に電気的に接続することが重要である。この代表的な使用例はＬＥＤディスプレイ、光学的情報処理システム等である。

エピタキシャル層をヘテロ基板上に形成し、固着し、電気的に接続することは、これまで主に２つの方法、即ちエピタキシャル層のヘテロ基板上へのヘテロエピタキシーと融着とによって行われてきた。

例えばＩｎＧａＡｌＰをＧａＰの上にヘテロエピタキシーする場合、使用される材料の大きな格子間隔不適合のため、どうしても高い転位密度を生じることになる。このような転位密度は確かに、ＳｉＯ_２マスクを使用してエピタキシャル面を減少させ、応力を低減するか、あるいは例えば熱サイクル下での結晶成長、中間介在層の使用等のような従来の手法により或る程度は低減することができる。しかし高密度の転位は、非発光性の再結合過程の増大及びこれに伴う光の放射の低減、さらに電気的接続にとって不利なチップにおける一定しない付加的な電圧降下を来たす。

ヘテロ基板上にエピタキシャル層を融着する際に、吸光性のＧａＡｓ基板は、選択的な下面の湿式化学エッチングによりエピタキシャル層から除去されるが、その際にはあらかじめＡｌＮ層が用いられている。残留するエピタキシャル層は、透明なＧａＰヘテロ基板上に高圧及び高温によって被着される。ファンデルワールス結合の形成に伴い、エピタキシャル層は透明なヘテロ基板上に接着する。

代替的に、溶解剥離されたエピタキシャル層のもとの基板表面上に、わずか数ナノメートルの厚さの金属箔を蒸着してもよい。このエピタキシャル層を透明又は吸光性のヘテロ基板上に被着する。場合によっては、同様に薄い金属箔を被着してもよい。続く熱処理において金属接合部の合金化が行われる。この合金化により、エピタキシャル層はヘテロ基板に接着する。

上記の全ての製造方法（最後の場合は従来技術に加えることはできない）では、主として、数１００μｍ以上の吸光性の基板の不均一な腐食除去のために、接合すべき２つのボディの接合が定まらないと言う欠点がある。エピタキシャル層とヘテロ基板との間の不均一なファンデルワールス結合及びそれと平行して生じる酸化物の形成は、不都合に高い電圧降下を半導体チップに来たし、収量も著しく減少しかねない。ＩｎＧａＡｌＰ層をＧａｐヘテロ基板上に融着により接合する、高電流用途の市販のＬＥＤ半導体デバイスの場合、７０ｍＡで２．４ｍＶ及びそれ以上の順方向電圧が測定され、用途が著しく制限されることになる。

従って本発明の課題は、特にオプトエレクトロニクス及び自動車用のエレクトロニクスにおいて使用される光放射デバイスを提供することにあり、特に高電流の場合のエピタキシャル層とヘテロ基板との間の改善された電気の移動（電子遷移）、及び、製造されるＬＥＤ半導体チップの収量の増加を一定の電気的接合により可能にすることである。

この課題は、請求項１記載のデバイスにより解決される。

本発明において重要なのは、除去された基板の表側に面する多重層の裏側上に第１の金属コンタクト層を、そしてヘテロ基板の表側上に第２の金属コンタクト層を被着し、このように被覆された層の裏側とヘテロ基板の被覆された表側とを特に共晶結合により互いに接合することである。

基板を、特に湿式化学エッチングにより基板材料用のエッチング剤中で除去し、その際基板の湿式化学エッチング法の特に有利な実施態様では、基板の機械的薄層化が先行して行われる。それにより活性層を含む多重層からの基板の極めて均一な溶解剥離が達成される。

本発明のデバイスは、従来使用されてきたデバイスに比べて、とりわけエピタキシャルに成長させた多重層とヘテロ基板との間に一定の電気伝導性の接合を形成する利点、即ち一方では唯一の最低の厚さの基板の定義された基板エッチングを行い、他方では片持ち式多重層を特に透明なヘテロ基板上に共晶接合する利点を有する。このような定義された基板のエッチングは、基板が最大で約１００μｍのごく僅かな全層厚を有するとき特に有利である。比較的厚い基板の場合、本発明の方法では基板の湿式化学エッチングに先行して、典型的には全体で１００μｍの厚みを持つ基板の機械的薄層化を行うのが有利である。従ってウェハの直径が５ｃｍ及びそれ以上であっても、基板の均一な溶解をエッチングにより行うことができる。

２つの第１及び第２の金属コンタクト層の共晶結合には、金を含有するろう層を使用するのがよく、この層を第１又は第２のコンタクト層上で所望の構造に加工するか又は両方のコンタクト層上に被着し、そして２つのコンタクト層の接合の際に特にレーザろう接により溶解して接合し、この２つの部分はその後の接合部の冷却時にろう接する。共晶はんだの接着は、そのために所望の構造となるように形成された金属化部の個所だけに行うのがよい。それにより限定された金属接合が２つの部分構成素子間に行われ、その結果高電流でも有利なデバイス特性と、デバイスの製造時の高収量とがもたらされる。

本発明の有利な実施形態は従属請求項により明らかとなる。

本発明を図示の実施例に基づく以下に詳述する。図面はそれぞれ概略図である。

本発明による光放射デバイスの図示の実施例は、ＧａＡｓから成る半導体基板１を含んでおり、この上に半導体基板１から出発して第１のクラッド層２、活性層３及び第２のクラッド層４を有する、エピタキシャルに析出された多重層が被着されている。図１による実施例の活性層３は、典型的には最大で８００ｎｍの放射波長を有するＩｎＧａＡｌＰ二重ヘテロ構造を示している。あるいは、この活性層はホモｐｎ接合によっても形成可能である。第２のクラッド層４上にはＧａＰから成る光出力層５が典型的に１０μｍから約５０μｍまでの厚さで析出され、この層はルミネッセンスダイオードにより放射される光の出力効率を改善する作用をする。特に光源として、光学通信技術で使用されるルミネッセンスダイオード又は発光ダイオードの送信素子の場合、個々の層２、３、４、５から成る多重層の配列及び機能は、当業者に周知であり、ここでは詳述する必要はないものである。放射光線の所望の波長により種々の半導体系が使用されるが、それぞれその基礎となる半導体材料がそれぞれ別個の技術的問題を提起する種々の製造方法をもたらす。約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長を有する可視スペクトル範囲にはＡｌＧａＩｎＰ合金系が使用され、これに図示の実施例も基づいており、その際アルミニウムの含有量を調整することにより比較的広い色の範囲の所望の波長を求めることができる。しかし原理的に本発明の方法は、通常ＡｌＧａＡｓ系をベースとする赤外線範囲の比較的波長の長いルミネッセンスダイオードの製造にも使用することができ、その際約１０％から３０％までの典型的範囲内におけるアルミニウム含有量の調整により、約８００ｎｍ以上の放射光の波長を得ることができる。

ＧａＡｓから成る基板１は、最初は全層厚が典型的には数１００μｍあってもよい。本発明の方法に先行する工程として、この場合、基板１の機械的薄層化を研磨により行うと有利であり、この理由から基板１の全厚を約１００μｍに設定する。研磨後の状態が図１に示されている。続いて、半導体ウェハを基板１の材料用に選択したエッチング剤に浸漬する。ＧａＡｓの場合、エッチング剤として例えば４：２：１の割合のＨ_２Ｏ：ＮＨ_３：Ｈ_２Ｏ_２の溶液が使用される。約４５分後、基板１は完全に溶解され、他方で層２、３、４、５から成る多重層が腐食されることはない。ＧａＡｓ基板１の溶解は、この場合その厚さが最低であるため、極めて均一に行われる。５ｃｍ及びそれ以上のウェハ直径を有する溶解剥離された多重層を得ることは容易に可能である。

図２は先行して機械的薄層化を行うことなく湿式化学エッチングされた数１００μｍの厚さのＧａＡｓ基板１の場合が示されている。この図では不規則なエッチング腐食が見られ、これが、多重層とその後に接合される透明なヘテロ基板との間にもはや均一ではない接合部を生じさせる。従って本発明の方法では、比較的厚い基板１の場合まず機械的研磨工程を行う方が有利である。

図３は湿式化学プロセスにより溶解剥離されたエピタキシャル多重層のヘテロ基板への固着及び電気的接続を概略的に示している。このために、剥離された多重層の裏側６（ｎ型側面）に薄い金層で被覆されたｎ型コンタクト層７が所期の構造となるように形成される。透明なヘテロ基板９の表側８に、ｎドープされたＧａＰヘテロ基板９の場合、所期の構造となるように形成されたｎ型コンタクト層１０が被着され、また例えばガラス又はシリコンから成るヘテロ基板の場合、共晶はんだとしての薄いＡｕＳｎ層で被覆された他の金属化部が被着される。金属コンタクト層１０を備えた透明なヘテロ基板９及び金属コンタクト層７を備えた多重層は上下に配置され、適当な熱源で熱処理される。コンタクト層１０のＡｕＳｎ被覆を有するろう層１１は溶解接合され、冷却時に接合部の２つの部分的構成素子はろう接され、その結果、図３に概略的に示されているようなエピタキシャル多重層２、３、４、５の裏側のコンタクト層７と透明なヘテロ基板９の表側のコンタクト層１０との間の電気的及び機械的接合が生じる。従ってこれらの２つのチップ素子間に定められた金属接合部が生じ、高電流の場合でも有利なデバイス特性が得られ、製造収量も高くなる。ちなみに、符号１２はヘテロ基板９上の金属製のｎ型裏側コンタクト層を表し、符号１３は光出力層５上のｐ型コンタクト層を表す。

基板上にエピタキシャルに析出された多重層の概略断面図。 比較的厚い基板をエッチングした後の概略断面図。 本発明により製造された、ヘテロ基板上に共晶結合された多重層を有する光放射デバイスの概略断面図。

符号の説明

１ 基板、 ２〜５ 多重層、 ６ 裏側、 ７ 第１の金属コンタクト層、 ８ 表側、 ９ ヘテロ基板、 １０ 第２の金属コンタクト層、 １１ ろう層、 １２ ｎ型コンタクト層、 １３ ｐ型コンタクト層

Claims (9)

1. 少なくとも１つの活性層（３）を含み、エピタキシャルに析出された多重層（２、３、４、５）と、該多重層（２、３、４、５）の裏側（６）の上に形成された第１の金属コンタクト層（７）と、ヘテロ基板（９）の表側（８）の上に形成された第２の金属コンタクト層（１０）と、第１の金属コンタクト層（７）と第２の金属コンタクト層（１０）との間の電気的および機械的接触を生ずるろう層（１１）とを備え、ヘテロ基板（９）はシリコンへテロ基板である
   ことを特徴とする光放射デバイス。
2. ろう層（１１）が金を含有する、請求項１記載のデバイス。
3. ろう層（１１）がＡｕＳｎから成る、請求項２記載のデバイス。
4. 第１の金属コンタクト層（７）と第２の金属コンタクト層（１０）とが所期の構造となるように形成されている、請求項１記載のデバイス。
5. 第１の金属コンタクト層（７）と第２の金属コンタクト層（１０）とが共晶結合で互いに結合されている、請求項１記載のデバイス。
6. ヘテロ基板（９）がＧａＰヘテロ基板である、請求項１記載のデバイス。
7. ヘテロ基板（９）がガラスヘテロ基板である、請求項１記載のデバイス。
8. 多重層（２，３，４，５）はヘテロ基板（９）に面していない表側にＧａＰから成る光出力層（５）を有し、該光出力層（５）上に所期の構造となるように形成された電極層（１３）が被着されている、請求項１記載のデバイス。
9. 光出力層（５）が１０μｍ〜約５０μｍの厚さを有する、請求項１記載のデバイス。

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