JP2006032889A

JP2006032889A - 発光素子及びその製造方法

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Publication number: JP2006032889A
Application number: JP2004352338A
Authority: JP
Inventors: Chang-Hsin Chu; チェンシンシュ; Kuo-Hui Yu; コウヒュイユ; Shi-Ming Chen; シミンチェン
Original assignee: Epitech Corp Ltd
Current assignee: Epitech Corp Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-12-06
Also published as: US20060017372A1; JP3935175B2; KR100678380B1; TW200605382A; US7301272B2; KR20060041859A; TWI234299B

Abstract

【課題】静電放電から保護する発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は次のステップを含む。基板上に第１電気特性の半導体層１０４を形成するステップ。第１電気特性の半導体層１０４上へ活性層１０６を形成するステップ。活性層１０６上へ第２電気特性の半導体層１０８を形成するステップ。第１電気特性の半導体層１０４の一部、活性層１０６の一部および第２電気特性の半導体層１０８の一部を除去してメサを形成するステップ。メサ上に透明コンタクト層１１０を形成して、メサ上にある第１電気特性の半導体層１０４、活性層１０６、第２電気特性の半導体層１０８および透明コンタクト層により積層構造を形成するステップ。パシベーション層を形成して、積層構造と積層構造に隣接する第１電気特性の半導体層の第１部分とを覆うステップ。
【選択図】図２−Ｅ

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に関し、特に静電放電（electro-static discharge：ＥＳＤ）から保護する発光素子及びその製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子は、半導体材料を使用して製作される。半導体発光素子は、電気エネルギーを光エネルギーに変換することができる微細な固体光源の一種である。その半導体発光素子は、小体積、高速反応、耐震性、長寿命、低駆動電圧使用だけでなく、様々な装置に必要な軽量性、薄さ及び小型化というニーズにも合致するため、日常生活に非常に普及している電子産品となっている。

シリコン集積回路と異なり、ほとんどの発光ダイオードチップには静電放電から保護するための設計がなされていなかった。そのため、静電放電の性能は製造工程により制御することがほとんど出来ず、例えば計測や封止などといった後続工程において、チップが損壊することもあり、予想できない不良率が発生していた。

本発明の第１の目的は、静電放電から保護するように設計された発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、金属−絶縁体半導体（metal-insulator-semiconductor：ＭＩＳ）構造を有して静電放電から保護するガードリングを形成し、ガードリングは静電放電パルスの導電性パスを提供する発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、製造工程ステップおよび工程の複雑度を増やすことなく、静電放電保護の設計を従来チップの工程ステップへ加える発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本実施形態は、基板、第１電気特性の半導体層、活性層、第２電気特性の半導体層、透明コンタクト層、パシベーション層、第２電気特性の電極およびガードリングを備える発光素子を提供する。第１電気特性の半導体層は、基板上に位置し、第１電気特性の半導体層はメサを有する。メサ上には、活性層、第２電気特性の半導体層および透明コンタクト層が順に設置される。第１電気特性の半導体層のメサ、活性層、第２電気特性の半導体層および透明コンタクト層は積層構造を形成する。パシベーション層は、積層構造と、積層構造に隣接する第１電気特性の半導体層の第１部分とを覆い、パシベーション層は、第１開口を有して透明コンタクト層の一部を露出する。第２電気特性の電極は、第１開口に位置するとともに、透明コンタクト層の一部を覆う。ガードリングは、第２電気特性の電極から第１電気特性の半導体層の第１部分上に位置するパシベーション層まで延伸される。ガードリングは、積層構造を囲んで開口を有する。ガードリング、その下が覆われたパシベーション層および第１電気特性の半導体層は、金属−絶縁体半導体構造を形成するため静電放電から保護される。

本発明の好適な一実施形態によると、パシベーション層は、第２開口を有して、第１電気特性の半導体層の第２部分を露出させ、第２開口に位置する第１電気特性の電極を有して、第１電気特性の半導体層の第２部分を覆う。第１開口および第２開口は、パシベーション層をエッチングして形成される。ガードリングの開口は、第１電気特性の電極近くに位置する。基板の材料は、例えばサファイアである。第１電気特性の半導体層の材料は、例えばｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、第２電気特性の半導体層の材料は、例えばｐ型窒化ガリウムである。パシベーション層の材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるグループから選択される。第２電気特性の電極の材料は、チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）、ニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）、クロム／金（Ｃｒ／Ａｕ）およびそれら任意の組合わせからなるグループから選択される。発光素子は、窒化ガリウム発光ダイオードまたはｐｉｎ（p-type-intrinsic-n-type）発光ダイオードである。

上述の目的を達成するために、本実施形態は、以下のステップを含む発光素子の製造方法を提供する。先ず、基板上に第１電気特性の半導体層を形成するステップ。第１電気特性の半導体層上へ活性層を形成するステップ。活性層上へ第２電気特性の半導体層を形成するステップ。第１電気特性の半導体層の一部、活性層の一部および第２電気特性の半導体層の一部を除去してメサを形成するステップ。メサ上に透明コンタクト層を形成して、メサ上にある第１電気特性の半導体層、活性層、第２電気特性の半導体層および透明コンタクト層により積層構造を形成するステップ。パシベーション層を形成して、積層構造と、積層構造に隣接する第１電気特性の半導体層の第１部分とを覆うステップ。次に、パシベーション層の一部を除去して透明コンタクト層の一部を露出するステップ。透明コンタクト層の一部およびパシベーション層のその他の部分上に、第２電気特性の電極を形成するステップ。第２電気特性の電極から第１電気特性の半導体層の第１部分上に位置するパシベーション層まで延伸して開口を有するガードリングを形成するステップ。

本発明の好適な一実施形態によると、第１電気特性の半導体層の一部、活性層の一部および第２電気特性の半導体層の一部を除去するステップは、誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma：ＩＣＰ）エッチングが使用される。本発明は、積層構造と、積層構造に隣接する第１電気特性の半導体層の第１部分とを覆うパシベーション層を形成するステップの後に、パシベーション層の一部を除去して、第１電気特性の半導体層の第２部分を露出するステップを含む。次に、第１電気特性の半導体層の第２部分上に第１電気特性の電極が形成される。ガードリングの開口は、第１電気特性の電極近くに位置する。基板の材料は、例えばサファイアである。第１電気特性の半導体層の材料は、例えばｎ型窒化ガリウムであり、第２電気特性の半導体層の材料は、例えばｐ型窒化ガリウムである。パシベーション層の材料は、二酸化ケイ素および窒化ケイ素からなるグループから選択される。第２電気特性の電極の材料は、チタン／金、ニッケル／金、クロム／金およびそれら任意の組合わせからなるグループから選択される。発光素子は、窒化ガリウム発光ダイオードまたはｐｉｎ発光ダイオードである。

本発明の好適な一実施形態は、発光素子に適用する静電放電保護構造を提供する。発光素子は、第１電気特性の半導体層、活性層、第２電気特性の半導体層、透明コンタクト層、パシベーション層および第２電気特性の電極が順に堆積されて形成される。静電放電保護構造は、半導体層、半導体層上に位置する絶縁体層、絶縁体層上に位置する金属層を備える。半導体層は、第１電気特性の半導体層へ電性接続され、絶縁体層はパシベーション層へ電性接続される。金属層は、開口を有してエピタキシャル構造を囲む。半導体層の材料は、第１電気特性の半導体層の材料と同じであり、絶縁体層の材料は、パシベーション層の材料と同じであり、金属層の材料は、第２電気特性の電極の材料と同じである。

上述の本発明から明らかなように、本発明は以下の長所を有する。先ず、本発明の発光素子のガードリングは、静電放電から保護するために使用される金属−絶縁体半導体構造を有する。本発明の発光素子のガードリングは、第２電気特性の電極を形成すると同時に製作することができるため、製造工程ステップおよび製造工程の複雑度を増大させる必要がない。

本発明は、発光素子に対して平行に接続された静電放電保護構造を有する発光素子を開示する。静電放電保護構造は、発光素子により生成される静電放電パルスの導電性パスを提供する。静電放電保護構造は、製造工程ステップを増やさずに、各々の発光素子チップへ入れることができる。本発明をより詳細かつ完全に示すため、以下の実施形態では、図１、図２Ａ〜２Ｅおよび図２Ａ’〜２Ｅ’に基づいて説明を行う。

図１は、本発明の好適な一実施形態による発光素子を示す上面図である。本発明の好適な一実施形態による発光素子は、例えばｐｉｎ（p-type-intrinsic-n-type）発光ダイオードである。図１に示すように、本実施形態の発光素子は、発光素子を囲んで、発光素子の第２電気特性の電極１１６に電性接続されたガードリング１１８を備える。ガードリング１１８は、発光素子の第１電気特性の電極１１４近くにある開口１０を有する。

図２Ａ〜図２Ｅおよび図２Ａ’〜図２Ｅ’は、本発明の好適な一実施形態による発光素子の製造工程ステップを示し、図２Ａ〜図２Ｅは、発光素子を線Ａ−Ａ’に沿って切ったときの状態を示す断面図であり、図２Ａ’〜図２Ｅ’は、発光素子を線Ｂ−Ｂ’に沿って切ったときの状態を示す断面図である。先ず、基板（図示せず）を準備する。基板の材料は、例えばサファイアである。次に、第１電気特性の半導体層１０４を基板上に形成する。その後、活性層１０６が第１電気特性の半導体層１０４上に形成される。それから、第２電気特性の半導体層１０８が活性層１０６上に形成される。第１電気特性の半導体層１０４の材料は、例えばｎ型窒化ガリウムであり、第２電気特性の半導体層１０８の材料は、例えばｐ型窒化ガリウムである。ここで第１電気特性と第２電気特性は、互いに反対である。活性層１０６は多層量子井戸（multi-layer quantum well：ＭＱＷ）である。活性層１０６の材料はＩｎＧａＮ／ＧａＮであり、それは有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）により形成することができる。続いて、第１電気特性の半導体層１０４の一部、活性層１０６の一部および第２電気特性の半導体層１０８の一部を除去してメサを形成する。除去ステップには、誘導結合プラズマエッチングが使用される。

図２Ｂおよび図２Ｂ’に示すように、透明コンタクト層１１０がメサ上に形成され、メサ上の第１電気特性の半導体層１０４、活性層１０６、第２電気特性の半導体層１０８および透明コンタクト層１１０により積層構造が形成される。透明コンタクト層１１０の材料は、Ｎｉ／Ａｕ、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）またはその他の透明金属であり、それは真空蒸着またはスパッタリングにより形成することができる。パシベーション層１１２を堆積して、積層構造と、積層構造に隣接する第１電気特性の半導体層１０４の第１部分１１３（図２Ｃ）と、積層構造に隣接する第１電気特性の半導体層１０４の第２部分１１３’（図２Ｃ’）とを覆って絶縁体層にする。パシベーション層１１２の材料は、二酸化ケイ素および窒化ケイ素からなるグループから選択される。

図２Ｄ’に示すように、パシベーション層１１２の一部が除去されて第１電気特性の半導体層１０４の第２部分１１３’が露出された後に、第１電気特性の電極１１４がその上に形成される。第１電気特性の電極１１４の材料はＴｉ／Ａｕまたはインジウム錫酸化物であり、それは真空蒸着またはスパッタリングにより形成することができる。

図２Ｅに示すように、パシベーション層１１２の一部が除去されて透明コンタクト層１１０の一部が露出される。次に、第２電気特性の電極１１６が、透明コンタクト層１１０の露出部およびパシベーション層１１２の別の部分上に形成される。第２電気特性の電極１１６の材料は、チタン／金、ニッケル／金、クロム／金およびそれら任意の組合わせからなるグループから選択される。次に、第２電気特性の電極１１６は、第１電気特性の半導体層１０４の第１部分１１３上に位置するパシベーション層１１２まで延伸されて、ガードリング１１８が形成される。

図２Ｅに示すように、本実施形態の発光素子のガードリング１１８は、金属−絶縁体半導体（metal-insulator-semiconductor：ＭＩＳ）構造である。金属−絶縁体半導体は、静電放電の最中に、静電放電パルスの導電性パスを提供して発光素子のチップを保護することができる。また、ガードリング１１８は、第２電気特性の電極１１６を形成すると同時に製作することができるため、本実施形態では製造工程ステップを増やさずにガードリング１１８を製作することができる。

ガードリング１１８の金属−絶縁体半導体構造および発光素子は、第２電気特性の電極１１６および第１電気特性の半導体層１０４を共用している。つまり、素子の両端が互いに接続された並列接続構造になっているということである。そのため、本実施形態の発光素子のガードリング１１８と発光素子とは並行に接続されている。順方向バイアスに印加されると、発光素子の順方向電流のパスは、第２電気特性の電極１１６→透明コンタクト層１１０→第２電気特性の半導体層１０８→活性層１０６→第１電気特性の半導体層１０４となる。ガードリング１１８の順方向電流のパスにより、大部分の電流は発光素子を通過して、ガードリング１１８の金属−絶縁体半導体構造中の絶縁体層が電流の大部分を遮るため、ガードリング１１８はオフとなる。順方向バイアスに印加されると、発光素子はオンとなるため、静電放電は大きな問題とならない。

逆バイアスに印加されると、発光素子の逆方向抵抗が大きくなるため、電流は遮られる。しかしながら、逆電流はガードリング１１８（適当な絶縁体層の厚さに設計される）の金属−絶縁体半導体構造中の絶縁層を透過するのに十分な大きさである。そのため、大部分の逆電流はガードリング１１８を通過するため、ガードリング１１８の金属−絶縁体半導体構造は、静電放電から保護することができる。パシベーション層１１２の厚さとガードリング１１８の金属−絶縁体半導体構造のサイズとを調整することにより、ガードリング１１８のＩ−Ｖ特性を制御して、静電放電から保護するというニーズを満たすことができる。上述したことから分かるように、順方向バイアスに印加されているときは、ガードリング１１８の金属−絶縁体半導体構造の整流が、発光素子の順方向電流に影響を与えることはないが、逆方向バイアスに印加されているときは、ガードリング１１８の金属−絶縁体半導体構造は、発光素子がオンする前に導電して、チップを保護しなければならない。

本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術に熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本発明の好適な一実施形態による発光素子を示す上面図である。（２Ａ）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ａ−Ａ’に沿って切った断面図であり、（２Ａ’）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面図である。（２Ｂ）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ａ−Ａ’に沿って切った断面図であり、（２Ｂ’）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面図である。（２Ｃ）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ａ−Ａ’に沿って切った断面図であり、（２Ｃ’）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面図である。（２Ｄ）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ａ−Ａ’に沿って切った断面図であり、（２Ｄ’）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面図である。（２Ｅ）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ａ−Ａ’に沿って切った断面図であり、（２Ｅ’）は、本発明の好適な一実施形態による製造工程ステップを示し、発光素子を線Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面図である。

符号の説明

１０開口、１０４第１電気特性の半導体層、１０６活性層、１０８第２電気特性の半導体層、１１０透明コンタクト層、１１２パシベーション層、１１３第１部分、１１３’ 第２部分、１１４第１電気特性の電極、１１６第２電気特性の電極、１１８ガードリング

Claims

基板、第１電気特性の半導体層、活性層、第２電気特性の半導体層、透明コンタクト層、パシベーション層、第２電気特性の電極およびガードリングを備える発光素子であって、前記第１電気特性の半導体層は、前記基板上に位置するとともにメサを有し、
前記活性層は、前記第１電気特性の半導体層の前記メサ上に位置し、
前記第２電気特性の半導体層は、前記活性層上に位置し、
前記透明コンタクト層は、前記第２電気特性の半導体層上に位置し、前記第１電気特性の半導体層の前記メサ、前記活性層、前記第２電気特性の半導体層および前記透明コンタクト層は積層構造を形成し、
前記パシベーション層は、積層構造と、該積層構造に隣接する前記第１電気特性の半導体層の第１部分とを覆って、前記透明コンタクト層の一部を露出する第１開口を有し、
前記第２電気特性の電極は、前記第１開口に位置するとともに、前記透明コンタクト層の一部を覆い、
前記ガードリングは、前記第２電気特性の電極から前記第１電気特性の半導体層の前記第１部分上に位置する前記パシベーション層まで延伸されるとともに開口を有することを特徴とする発光素子。
前記パシベーション層は、第２開口を備えて、前記第１電気特性の半導体層の第２部分を露出することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記第２開口に位置する第１電気特性の電極を備えて、前記第１電気特性の半導体層の前記第２部分を覆うことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
ガードリングの前記開口は、前記第１電気特性の電極近くに位置することを特徴とする請求項３記載の発光素子。
前記ガードリングは、前記積層構造を囲むことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記第１電気特性の半導体層の材料はｎ型窒化ガリウムであり、前記第２電気特性の半導体層の材料はｐ型窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記発光素子は、ｐｉｎ発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
基板上に第１電気特性の半導体層を形成するステップと、
前記第１電気特性の半導体層上へ活性層を形成するステップと、
前記活性層上へ第２電気特性の半導体層を形成するステップと、
前記第１電気特性の半導体層の一部、前記活性層の一部および前記第２電気特性の半導体層の一部を除去してメサを形成するステップと、
前記メサ上に透明コンタクト層を形成して、前記メサ上にある前記第１電気特性の半導体層、前記活性層、前記第２電気特性の半導体層および前記透明コンタクト層により積層構造を形成するステップと、
パシベーション層を形成して、前記積層構造と、該積層構造に隣接する前記第１電気特性の半導体層の第１部分とを覆うステップと、
前記パシベーション層の一部を除去して前記透明コンタクト層の一部を露出するステップと、
前記透明コンタクト層の一部および前記パシベーション層のその他の部分上に、第２電気特性の電極を形成するステップと、
前記第２電気特性の電極から前記第１電気特性の半導体層の前記第１部分上に位置する前記パシベーション層まで延伸して、開口を有するガードリングを形成するステップとを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
前記第１電気特性の半導体層の一部、前記活性層の一部および前記第２電気特性の半導体層の一部を除去するステップにおいて、誘導結合プラズマエッチングが使用されることを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。
前記積層構造と、該積層構造に隣接する前記第１電気特性の半導体層の前記第１部分とを覆う前記パシベーション層を形成するステップの後に、前記パシベーション層の一部を除去して、前記第１電気特性の半導体層の第２部分を露出するステップを含むことを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。
前記第１電気特性の半導体層の前記第２部分上に前記第１電気特性の電極が形成されることを特徴とする請求項１０記載の発光素子の製造方法。
ガードリングの前記開口は、前記第１電気特性の電極近くに位置することを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。
前記ガードリングは、前記積層構造を囲むことを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。
前記第１電気特性の半導体層の材料はｎ型窒化ガリウムであり、前記第２電気特性の半導体層の材料はｐ型窒化ガリウムであることを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。
前記発光素子は、窒化ガリウム発光ダイオードまたはｐｉｎ発光ダイオードであることを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。