JP2013191848A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体層の成長時にチャンバ内の圧力を変化させることにより改善されたＰ−ＧａＮ層を有する発光装置の構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の発光装置は、ＬＥＤダイを含むフォトニックダイ構造を含む。たとえば、ＬＥＤダイは垂直型ＬＥＤダイである。ＬＥＤダイは基板を含み、ＰドープIII-Ｖ族化合物層とＮドープIII-Ｖ族化合物層が、それぞれ、基板上に設けられる。多重量子井戸（ＭＱＷ）層は、ＰドープIII-Ｖ族化合物層とＮドープIII-Ｖ族化合物層間に設けられる。ＰドープIII-Ｖ族化合物層は、指数関数的には変化しないドーピング濃度特性を有する第一領域と指数関数的に変化するドーピング濃度特性を有する第二領域を含む。ある具体例において、第二領域は、第一領域より低圧を用いて形成される。
【選択図】図６

Description

本発明は、発光装置およびその製造方法に関するものであって、特に、高透明度と低抵抗のIII-Ｖ族化合物層を有する発光装置（ＬＥＤ）およびその製造方法に関するものである。

ここで、ＬＥＤ装置またはＬＥＤとは、特定波長または特定の波長領域で光を発生する半導体光源のことである。好ましい特徴、たとえば、小さい装置サイズ、長い寿命、効率的なエネルギー消費およびよい耐久性と信頼性のため、ＬＥＤはますます普及している。近年、ＬＥＤは、インジケーター、光センサー、信号機、ブロードバンドデータ伝送および照明装置を含む各種アプリケーションで展開されている。電圧が供給されると、ＬＥＤが発光する。

ＬＥＤは、成長基板上に、複数の発光構造を成長させることにより製造される。下方の成長基板と発光構造は、個々のＬＥＤダイに分けられる。分離前後のある時期に、電極または導電パッドが各ＬＥＤダイに形成されて、その発光構造に電気的に通電できるようにされている。発光構造と発光構造が形成されるウェハは、一般に、エピウェハと称される。ＬＥＤダイは、その後、パッケージ基板、任意の蛍光体材料および光学素子、たとえば、レンズおよび反射体によりパッケージされて、発光装置になる。

ＬＥＤは、通常、ドープIII-Ｖ族化合物層を含む。従来のドープIII-Ｖ族化合物層の形成方法は、ＬＥＤパフォーマンス、たとえば、低光出力、低キャリア移動度および過度に高い接触抵抗またはシート抵抗を低下させる。

従って、現存するＬＥＤの製造方法は、特定の目的には適用されるが、全ての要求には完全には満足されていない。従って、ＬＥＤのドープIII-Ｖ族化合物層を形成するよい方法が求められ続けている。

本発明は、高透明度と低抵抗のIII-Ｖ族化合物層を有する発光装置（ＬＥＤ）を提供することを目的とする。

本発明の装置は、発光装置（ＬＥＤ）ダイを含むフォトニックダイ構造を含む。ＬＥＤダイは基板を含み、ＰドープIII-Ｖ族化合物層とＮドープIII-Ｖ族化合物層は、それぞれ、基板上に設けられる。多重量子井戸（ＭＱＷ）層は、ＰドープIII-Ｖ族化合物層とＮドープIII-Ｖ族化合物層間に設けられる。ＰドープIII-Ｖ族化合物層は、指数関数的には変化しないドーピング濃度特性を有する第一領域と指数関数的に変化するドーピング濃度特性を有する第二領域を含む。ある具体例において、第二領域は、第一領域より低圧を用いて形成される。

本発明によれば、Ｐ型III-Ｖ族化合物層を、ＭＱＷに近い側に不純物濃度の低い第一部分と、不純物濃度が第一部分から表面側に向かって指数関数的に増加し、表面側で不純物濃度の高い層とで構成しているので、不要にＰ型層の不純物濃度を高くする必要がなく、ＭＱＷで発生した光を不純物により吸収されることなく、外部に取り出すことができる。しかも、Ｐ型層の表面の不純物濃度は非常に高く形成されているため、ダイの全体に電流を十分に拡散することができる。その結果、ＬＥＤの光出力が改善される。

また、本発明によれば、Ｐ型半導体層の第二部分を成長する際に、チャンバ内の圧力を低下させながら成長させているので、不純物濃度を指数関数的に変化させることができる。すなわち、ＧａＮなどの半導体層を成長する際にチャンバ内の圧力を低くすると、ドーピングする不純物濃度は高くなり、その圧力を低くすればする程指数関数的に不純物濃度が高くなることを本発明者らは見出した。そのため、圧力をリニアに変化させて下げるだけでドーピング濃度を指数関数的に増加させることができる。

本発明のＬＥＤ構造の一実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 図１に示されるＬＥＤ構造の各層のドーピング濃度曲線特徴を明示するプロット図である。 本発明のＬＥＤ構造の一実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 本発明のＬＥＤ構造の一実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 本発明のＬＥＤ構造の一実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 本発明のＬＥＤ構造の一実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 本発明のＬＥＤ構造の他の実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 本発明のＬＥＤ構造の他の実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 本発明のＬＥＤ構造の他の実施形態の一製造工程での断面を示す図である。 本発明のＬＥＤ構造のさらに他の実施形態の断面を示す図である。 本発明のＬＥＤの製造方法の一実施形態のフローチャートである。 本発明の図１〜１０により製造したＬＥＤを含む照明モジュールの一例を示す図である。

本発明は、多くの異なる実施例または例を提供して、多種実施例中の異なる特徴を実施することが理解できる。以下の組成および構造の特定の実施例は、本発明を簡潔にするために示されている。これらは、単なる例であって、本発明を限定するものではない。たとえば、第一構造を第二構造上に形成するという記述は、第二構造が直接接触する、または、別の構造を隔てていることを含む。このほか、“頂部”“底部”“下方”“上方”等は、表現を便利にするためのものであり、実施例を特定の方向に限定するものではない。簡潔にするため、種々の特徴が任意の寸法で描かれている。この他、本発明の各種例は、重複して同じ符号を採用しているかもしれないが、同じ符号を有する実施例間でそれぞれの対応関係を有するとは限らない。

電源をオンにするとき、発光ダイオード（ＬＥＤ）装置は、放射、たとえば、可視スペクトルの異なる色の光線、紫外線や赤外線を放射する。従来の光源（たとえば、白熱電球）と比較して、ＬＥＤは、利点、たとえば、小サイズ、低エネルギー消費、長寿命、利用できる色の多様性、よい耐久性と信頼性を提供する。これらの利点以外に、ＬＥＤ製造技術は安価に製造でき、且つ、取り扱いが容易（robust）で、近年、ＬＥＤはますます普及している。

それにしても、現存するＬＥＤ製造技術は、いくつかの欠点に直面する。このような欠点のうちの一つは、ＬＥＤのドープIII-Ｖ族化合物層の製造に関連する。III-Ｖ族化合物は、元素周期表中の“III”族と“Ｖ”族元素を含む。たとえば、ＬＥＤは、Ｎ型ドープ窒化ガリウム（Ｎ−ＧａＮ）層とＰ型ドープ窒化ガリウム（Ｐ−ＧａＮ）層を含む。現存するＬＥＤにとって、ドープIII-Ｖ族化合物層（たとえば、Ｐ−ＧａＮ層）の製造は層内の欠陥を生じ、それは、III-Ｖ族化合物層の高いドーピング濃度レベルのせいである。III-Ｖ族化合物層内の欠陥は、装置性能低下、たとえば、光の吸収による光出力の低下、低キャリア移動度（および、それ故の不適切な電流拡散）および過度の順方向電圧と高い接触抵抗および／またはシート抵抗を引き起こす。

本発明の種々の態様により、半導体光素子とその製造方法が以下に記載されている。III-Ｖ族化合物層と好ましい製造プロセスにより、実質上、これらの問題を克服することができる。以下で論じられる具体例中、光素子はＬＥＤである。さらに詳細には、図１および図３から図１０は、ＬＥＤの各種製造段階の断面図である。本発明の概念を理解しやすくするため、図１および図３から図１０は簡潔にされている。

図１を参照すると、基板４０が提供される。ここで示される基板４０はエピウェハの一部分である。ある具体例において、基板４０は、サファイア材または炭化ケイ素、窒化ガリウムまたはシリコンを含む。基板４０は、約２００ミクロン（μｍ）から約１０００μｍの厚さを有する。

アンドープ半導体層５０が基板４０上に形成される。アンドープ半導体層５０は、Ｐ型ドーパントまたはＮ型ドーパントを含まない。ある具体例において、アンドープ半導体層５０は、元素周期表の“III”族元素の１つの元素、および、元素周期表の“Ｖ”族元素の別の元素を含む化合物を含む。たとえば、III族元素は、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム、チタンで、Ｖ族元素は、窒素、リン、砒素、アンチモン、ビスマスである。図に示す実施態様において、アンドープ半導体層５０は、アンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）材料を含む。これにより、アンドープ半導体層５０はＵ−ＧａＮ層とも称される。

Ｕ−ＧａＮ層５０は、基板４０とアンドープ半導体層５０上に形成される層間のバッファ層となる（たとえば、応力を低下させる）。バッファ層としての機能を効果的にするため、Ｕ−ＧａＮ層５０は、転位欠陥が減少し、よい格子構造品質を有する必要がある。ある具体例において、Ｕ−ＧａＮ層５０は、約１．５μｍから約３．０μｍの厚さを有している。ある具体例において、Ｕ−ＧａＮ層５０がなく、つまり、Ｕ−ＧａＮ層５０が形成されない。

ドープ半導体層６０がＵ−ＧａＮ層５０上に形成される。ドープ半導体層６０は、従来のエピタキシャル成長プロセスにより形成される。図で示した実施態様において、ドープ半導体層６０は、Ｎ型ドープIII-Ｖ族化合物、たとえば、Ｎ型ドープ窒化ガリウム（Ｎ−ＧａＮ）化合物を含む。これにより、ドープ半導体層６０は、Ｎ−ＧａＮ層とも称される。Ｎ型ドーパントはカーボン（Ｃ）かシリコン（Ｓｉ）である。ある具体例において、Ｎ−ＧａＮ層６０は、約２μｍから約４μｍの厚さを有する。

プリストレインド（前段の歪み）層がＮ−ＧａＮ層６０上に形成される。プリストレインド層は、Ｎ型ドーパント、たとえば、シリコンによりドープされる。プリストレインド層は、応力を解放して、量子閉じ込めシュタルク効果（quantum-confined Stark effect、ＱＣＳＥ）を減少させる。量子閉じ込めシュタルク効果は、外部電界の量子井戸（即ち、後述されるＭＱＷ層８０）の光吸収スペクトルに対する効果のことである。プリストレインド層は約３０ｎｍから約８０ｎｍの厚さを有するが、説明を簡潔にするため、図示されていない。

多重量子井戸（ＭＱＷ）層８０はＮ−ＧａＮ層６０上に形成される。ＭＱＷ層８０は、交互（または周期的）に配列された活性材料の副層、たとえば、窒化ガリウムと窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含む。たとえば、ＭＱＷ層８０は、多数の窒化ガリウム副層、および、多数の窒化インジウムガリウム副層を含み、窒化ガリウム副層と窒化インジウムガリウム副層は、交互または周期的方式で形成される。一具体例において、ＭＱＷ層８０は、１０個の窒化ガリウムの副層、および、１０個の窒化インジウムガリウムの副層を含み、窒化インジウムガリウム副層は窒化ガリウム副層上に形成され、別の窒化ガリウム副層は窒化インジウムガリウム副層上に形成される。ＭＱＷ層８０中の各副層は、隣接する副層とは異なる導電型によりドープされる。即ち、ＭＱＷ層８０内の各種副層は、交互にＰ−Ｎ方式でドープされる。発光効率は、交互層の層数とそれらの厚さに基づく。ある具体例において、ＭＱＷ層８０は、約９０ナノメートル（ｎｍ）から約２００ｎｍの厚さを有する。

電子ブロッキング層は、任意で、ＭＱＷ層８０上に形成される。電子ブロッキング層は、ＭＱＷ層８０中の電子正孔のキャリア（electron-hole carrier）の再結合の現象を制限して、ＭＱＷ層８０の量子効率を改善し、望まれていないバンド幅での放射を減少させる。ある具体例において、電子ブロッキング層はドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）材料を含み、ドーパントはマグネシウムを含む。電子ブロッキング層は、約１５ｎｍから約２０ｎｍの厚さを有するが、説明を簡潔にするため、図示されていない。

ドープ半導体層１００がＭＱＷ層８０上に形成される。ドープ半導体層１００は、ドープ半導体層６０と反対（または異なる）タイプの導電型を有するドーパントによりドープされる。よって、ドープ半導体層１００はＰ型ドーパントがドープされる。ドープ半導体層１００はIII-Ｖ族化合物、つまり、図で示した具体例の窒化ガリウム化合物を含む。このとき、ドープ半導体層１００はＰ型ドープ窒化ガリウム（Ｐ−ＧａＮ）層と称される。Ｐ型ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）である。形成される基板４０と各層は、まとめて、エピウェハと称される。

図１に示されるように、Ｐ−ＧａＮ層１００は、ＭＱＷ層８０の近くに形成される部分１００Ａ、ＭＱＷ層８０から遠くに形成される部分１００Ｂを含む。部分１００ＡはＰ^-層とも称され、部分１００ＢはＰ⁺層とも称される。ある具体例において、Ｐ−ＧａＮ層１００は約１５０ｎｍから約２００ｎｍの厚さを有する。しかし、部分１００Ａは、部分１００Ｂよりが大幅に厚い（つまり、その表面からの深さが深い）。ある具体例において、部分１００Ａは、部分１００Ｂより少なくとも数倍厚い。

本発明の各種態様によると、部分１００Ａと１００Ｂは、異なる圧力下で形成される。圧力は、層の成長中、チャンバ圧力と称される。さらに詳細には、部分１００Ａは、部分１００Ｂより大きい圧力環境下で形成される。Ｐ−ＧａＮ層１００が形成される時、ドーピング濃度レベルは、ドーパントの量を同じとしたとき、圧力と負の（しかも指数関数的）相関を有するので、部分１００Ａは、部分１００Ｂより低ドーピング濃度レベルを有する。つまり、圧力が比較的一定で維持される時、Ｐ−ＧａＮ層１００の部分のドーピング濃度レベルもおおよそ平坦、または、少なくとも異なる部分の層深さと実質的に線形関係である。ある具体例において、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ａは、比較的一定である圧力を用いて成長し、これにより、平坦または線形のドーピング濃度曲線を有する。しかし、圧力が減少するにつれて、Ｐ−ＧａＮ層１００の部分のドーピング濃度レベルは、深さの違いにより、指数関数的に増加する。ある具体例において、圧力が低下するにつれて、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ｂが成長し、これにより、指数関数的に増加するドーピング濃度曲線を有している。

図２は、上述のコンセプトを詳細に描いたプロット図１２０である。図２を参照すると、プロット１２０はＸ軸とＸ軸に垂直なＹ軸を含んでいる。Ｘ軸は深さ、Ｙ軸はドーピング濃度レベルを示す。プロット図１２０は、Ｘ軸とＹ軸に関連して示される曲線１３０を含んでいる。曲線１３０は、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ａの特性に対応するセグメント１３０Ａ、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ｂの特性に対応するセグメント１３０Ｂを含んでいる。

前述のように、セグメント１３０Ａは実質上線形で、即ち、部分１００Ａのドーピング濃度レベルはその深さの関数であるが、ドーピング濃度レベルは部分１００Ａであまり変わりないことを意味する。たとえば、セグメント１３０Ａは、おおよそ、数学的方程式Ｙ＝ａ・Ｘ＋ｂに一致し、式中、ＸとＹは、それぞれ、深さとドーピング濃度レベルを示し、“ａ”と“ｂ”は定数である。セグメント１３０Ａのこの線形挙動は、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ａが成長する間、比較的一定である加圧環境を維持することにより達成される。ある具体例において、部分１００Ａは、約３００ミリバール（mbar）から約１気圧（atm）の圧力下で形成される。その結果、これらの具体例中、セグメント１３０Ａのドーピング濃度レベルは、約１．０×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から約１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³の幅で変化する。注意すべきことは、曲線１３０のセグメント１３０Ｃは、Ｐ−ＧａＮ層に対応しないが、層１００Ａから拡散する層８０に対応する。

一方、セグメント１３０Ｂは指数プロファイルを有し、部分１００Ｂのドーピング濃度レベルは深さに伴って指数関数的に増加することを意味する。たとえば、セグメント１３０Ｂは、おおよそ、数学的方程式Ｙ＝ａ・ｅ^(b・X)に一致し、式中、ＸとＹは、それぞれ、深さとドーピング濃度レベルを示し、“ａ”と“ｂ”は定数である。セグメント１３０Ｂのこの指数関数的変化は、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ｂが成長中、圧力を低下させることにより達成される。ある具体例において、部分１００Ｂは、約３００ミリバール（mbar）から約７６０mbarの圧力下で形成される。その結果、これらの具体例において、セグメント１３０Ｂのドーピング濃度レベルは、約１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から約１．５×１０²⁰イオン／ｃｍ³の幅で変化する。図２の例において、Ｐ−ＧａＮ層１００に用いられるドーパントはマグネシウムである。

上記および図２に示されるように、Ｐ−ＧａＮ層の異なる部分１００Ａと１００Ｂは、深さの関数として、異なるドーピング濃度曲線の特性を示す。Ｐ−ＧａＮ層１００の実質的大半を構成する部分１００Ａは、そのドーピング濃度レベルを比較的低く、たとえば、約１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³より小さく維持する方法で成長する。Ｐ−ＧａＮ層１００の薄層を構成する部分１００Ｂは、ある方法（即ち、圧力を低下させること）により成長し、そのドーピング濃度レベルは、実質上、部分１００Ａより大きい（たとえば、少なくとも５倍より大きい）。

部分１００Ａの低ドーピング濃度レベルの長所は、透明性が高いことで、ＭＱＷ層８０が発する光を吸収せずに通過させることができ（以下で詳述する）、そうでなければ、ＬＥＤの光出力パフォーマンスが劣る。多くの従来のＬＥＤにおいて、Ｐ−ＧａＮ層全体は定圧で成長し、全てのＰ−ＧａＮ層が高いドープ濃度（たとえば、約１．０×１０²⁰イオン／ｃｍ³より大きいドーピング濃度レベル）を有することになる。このように高いドープのＰ−ＧａＮ層の形成は多くの欠陥を生じ、光を吸収して、ＬＥＤの光出力パフォーマンスを低下させる。従来の技術と比較すると、Ｐ−ＧａＮ層１００（即ち、部分１００Ａ）の実質的過半数は、低ドーピング濃度レベルを有し、光吸収欠陥の問題を減少させることができる。故に、Ｐ−ＧａＮ層１００による光吸収が最小になるので、本発明により形成されるＬＥＤは優れた光出力パフォーマンスを有する。

この他、後期プロセスで、部分１００Ｂが金属部材に取り付けられるので、部分１００Ｂの高いドーピング濃度レベルも、同様に、有利である。金属材料との相互作用は、部分１００Ｂの高いドーピング濃度レベルに影響する。多くの具体例において、部分１００Ｂのドーピング濃度レベルは、従来のＬＥＤのＰ−ＧａＮ層のドーピング濃度レベルより高い。上述の理由に基づいて、本発明により形成されるＬＥＤは、従来のＬＥＤより、低い接触抵抗とシート抵抗が得られ、順方向低電圧を有する。さらに、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ｂの別の機能は電流拡散を実行することである。その大きいドーピング濃度レベルのため、部分１００Ｂのキャリア移動度が高く、これにより、その電流拡散パフォーマンスも、従来のＬＥＤをしのぐ。部分１００Ｂの高いドーピング濃度レベルは高い欠陥密度を招くが、部分１００ＢはＰ−ＧａＮ層全体の僅かな極小部分なので、Ｐ−ＧａＮ層１００の光吸収パフォーマンス全体への著しい悪影響がない。

少なくとも上述の理由に基づき、本発明によるＰ−ＧａＮ層１００は、よい光出力パフォーマンスとよい電気パフォーマンス、たとえば、低抵抗と低電圧を同時に達成することができる。これは、それぞれがそれら自身の関連する圧力を有する二段階で、Ｐ−ＧａＮ層を成長させることにより完成する。その形成中に、圧力を調整することにより、Ｐ−ＧａＮ層１００は、高いドーピング濃度レベルが必要とされる高いドープ部分（即ち、金属材料と相互作用する表面部分）、および、低い（または適度な）ドーピング濃度レベルが必要とされる低いドープ部分（即ち、Ｐ−ＧａＮ層の過半数）を有する。つまり、従来のＬＥＤが、高いドーピング濃度レベルで、無差別に、Ｐ−ＧａＮ層全体を形成するのに対し、形成されるＬＥＤは、高いドーピング濃度レベルが必要とされる部分は高いドーピング濃度レベルを有し、低ドーピング濃度レベルが必要とされる部分は低ドーピング濃度レベルを有する。

図３を参照すると、ＬＥＤのコア部分は、ドープ層６０と１００間のＭＱＷ層８０の配置により形成される。電圧（または電荷）がＬＥＤのドープ層に加えられる時、ＭＱＷ層８０は放射、たとえば、光を発射する。ＭＱＷ層８０により放射される光の色は、放射の波長に対応する。放射は、可視光、たとえば、青色光、または、不可視光、たとえば、紫外（ＵＶ）光である。光の波長（および、光の色）は、ＭＱＷ層８０を作り出す材料の組成と構造を変化させることにより調整される。

パッシベーション層１５０がＰ−ＧａＮ層１００上に形成される。ある具体例において、パッシベーション層１５０は、酸化ケイ素、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせを含む。その後、レーザースクライビングプロセス１４０が実行されて、エピウェハ中に開口１６０を形成する。開口１６０は基板４０まで延伸する。

図４を参照すると、パッシベーション層１５０が除去される。別のパッシベーション層１７０は、エピウェハ上と開口１６０中に形成される。ある具体例において、パッシベーション層１７０は、酸化ケイ素、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせを含む。その後、フォトリソグラフィプロセスが実行されて、Ｐ−ＧａＮ層１００Ｂ上で開口１６０の間に、金属層１８０を形成する。フォトリソグラフィプロセスは、一つ以上の蒸着、露光、ベーキング（baking）、現像およびエッチングプロセス（必ずしもこの順序ではない）を含む。ある具体例において、金属層１８０はニッケルを含む（Ｎｉ）。その後、別のフォトリソグラフィプロセスが実施されて、金属層１８０上に金属層１９０を形成する。ある具体例において、金属層１９０は銀（Ａｇ）を含む。金属層１８０と１９０は、ＭＱＷ層８０により放射される光を反射することができる。

図５を参照すると、エピウェハは、開口１６０に沿って分断する。つまり、複数の独立したＬＥＤダイ２００は、エピウェハを分断することにより形成される。図５に示されるＬＥＤダイ２００Ａは、その後、垂直に、逆さまに“反転（flipped）”し、ボンディング金属層２２０を有する基板２１０に接合される。つまり、金属層１９０は、ボンディング金属層２２０により、基板２１０に結合される。ある具体例において、基板２１０はシリコン基板で、接合金属層は、チタニウム（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、金錫（ＡｕＳｎ）またはそれらの合金を含む。その後、基板４０は、たとえば、レーザーリフトオフプロセス（laser lift-off process）により、ＬＥＤダイ２００Ａから除去される。

図６を参照すると、Ｕ−ＧａＮ層５０は、たとえば、適当なエッチングプロセスにより除去される。その後、Ｎ−ＧａＮ層６０の露出表面が粗面プロセスを受けて、粗面２３０を形成する。つまり、Ｎ−ＧａＮ層の粗面２３０は滑らかでなく、ＭＱＷ層８０により発する光を拡散または散乱させる。その結果、ＬＥＤダイ２００Ａを出る光の伝播は、好ましい光出力均一性を達成することができる。ある具体例において、粗面プロセスは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）をエッチャントとしたエッチングプロセスを用いることができる。

粗面プロセス実行後、別のパッシベーション層が形成されて、ＬＥＤダイ２００Ａ周辺をコートする。パッシベーション層は、酸化ケイ素、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせを含む。簡潔にするため、このパッシベーション層はここで図示しない。その後、複数の金属接点２５０がＮ−ＧａＮ層６０上に形成される。金属接点２５０は適当な蒸着とリソグラフィプロセスにより形成される。金属接点２５０は、Ｎ−ＧａＮ層への電気的接続を可能にする。

ＬＥＤの製造を完成させるため、追加プロセス、たとえば、パッケイジングとテストプロセス（packaging and testing processes）も実行されるが、簡潔にするため、ここで説明しない。

図１から図６および上述の議論は、垂直型ＬＥＤダイの具体例を説明している。図７から図９および以下の議論は、垂直型ＬＥＤダイの他の実施例を説明する。一貫性と明瞭さのため、垂直型ＬＥＤダイの全具体例の同様の素子は、これらの図面の全てを通じて同じ符号で表示されている。

図７は、ＬＥＤダイ２００Ｂの製造の段階の断面図である。ＬＥＤダイ２００Ｂは、基板４０、基板４０上に形成されるＵ−ＧａＮ層５０、Ｕ−ＧａＮ層５０上に形成されるＮ−ＧａＮ層６０、Ｎ−ＧａＮ層６０上に形成されるＭＱＷ層８０およびＭＱＷ層８０上に形成されるＰ−ＧａＮ層１００を含んでいる。前述のように、Ｐ−ＧａＮ層１００は、異なる圧力で形成される部分１００Ａと１００Ｂを有するので、部分１００Ａと１００Ｂは異なるドーピング濃度曲線の特徴を有している。ＬＥＤダイ２００Ｂは、ボンディング材２７０により、基板２１０に接合されている。ボンディング材２７０はフラックス材料で、ＬＥＤダイ２００Ｂを基板２１０に接合する。

図８を参照すると、基板４０が、たとえば、レーザーリフトオフプロセスにより除去される。Ｕ−ＧａＮ層５０は、その後、同様に、たとえば、適当なエッチングプロセスにより、除去される。上述の垂直型ＬＥＤダイ２００Ａと異なり、ここで、粗面プロセスは垂直型この垂直型ＬＥＤダイ２００Ｂには必要ない。その代わりに、金属層１８０がＮ−ＧａＮ層６０上に形成される。ある具体例において、金属層１８０はニッケルを含んでいる。その後、金属層１９０が金属層１８０上に形成される。ある具体例において、金属層１９０は銀を含む。前述のように、金属層１８０と１９０は、反射層（即ち、ＭＱＷ層８０により放射される光を反射する）となる。

ＬＥＤダイ２００Ｂは、金属ボンディング層３１０により、基板３００に接着される。ある具体例において、基板３００は、基板２１０と同様の材料を含み、金属ボンディング層３１０は、上述の垂直型ＬＥＤダイ２００Ａの金属ボンディング層２２０と同様の材料を含む。

図９を参照すると、基板２１０が除去され、結合材２７０により、基板２１０をＬＥＤダイ２００Ｂに接合する。ＬＥＤダイ２００Ｂは、垂直に、上下逆さまに“反転”する。その後、透明コンタクト層３２０がＰ−ＧａＮ層１００（さらに詳細には、Ｐ−ＧａＮ層の部分１００Ｂ）上に形成される。ある具体例において、透明コンタクト層３２０は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を含む。その後、金属接点３５０（接触パッドとも称される）が透明コンタクト層３２０上に形成される。金属接点３５０は、適当な蒸着とリソグラフィプロセスにより形成される。金属接点３５０は、Ｐ−ＧａＮ層１００への電気的接続を可能にする。このほか、パッシベーション層が形成されて、ＬＥＤダイ２００Ｂ表面周辺をコートするが、簡潔にするため、パッシベーション層は図示していない。

上述の垂直型ＬＥＤダイ２００Ａと比較すると、垂直型ＬＥＤダイ２００Ｂは垂直に逆さまに“反転”する。つまり、金属接点３５０は、垂直型ＬＥＤダイ２００ＢのＰ−ＧａＮ層１００上に形成され、垂直型ＬＥＤ２００ＡがＮ−ＧａＮ層６０に形成されるのではない。これは、追加の基板接合プロセスを実行することにより達成される。垂直型ＬＥＤダイ２００Ｂは、上述の垂直型ＬＥＤダイ２００Ａの同じ利点を有する。

上述の具体例が垂直型ＬＥＤダイに関連することにより、上述の同じコンセプトが、同じように、水平型ＬＥＤダイに適用されることが理解できる。一例として、水平型ＬＥＤダイ２００Ｃの具体例が図１０に示されている。一貫性と明瞭さのため、水平型ＬＥＤダイ２００Ｃと垂直型ＬＥＤダイ２００Ａおよび２００Ｂの類似の部分は同じ符号を採用する。水平型ＬＥＤダイ２００Ｃは、基板（たとえば、サファイア基板）４０、基板４０上に形成されるＵ−ＧａＮ層５０、Ｕ−ＧａＮ層５０上に形成されるＮ−ＧａＮ層６０、Ｎ−ＧａＮ層６０上に形成されるＭＱＷ層８０、ＭＱＷ層８０上に形成されるＰ−ＧａＮ層１００を含む。前述のように、Ｐ−ＧａＮ層１００は、異なる圧力で形成される部分１００Ａと１００Ｂを含み、部分１００Ａと１００Ｂは、異なるドーピング濃度曲線の特徴を有している。コンタクト層３６０がＰ−ＧａＮ層１００上に形成される。金属接点３７０と３８０が、それぞれ、接触層３６０とｎ−ＧａＮ層６０上に形成され、ＬＥＤダイ２００Ｃに電気的にアクセスする。

図１１は、本発明の各種態様による光素子を製造する方法５００のフローチャートである。図１１を参照すると、方法５００の工程５１０は、第一ドープIII-Ｖ族化合物層を基板上で成長させる。ある具体例において、第一ドープIII-Ｖ族化合物層はＮ型ドープ窒化ガリウム（Ｎ−ＧａＮ）層で、基板はサファイア基板である。方法５００の工程５２０は、多重量子井戸（ＭＱＷ）層を、第一ドープIII-Ｖ族化合物層上で成長させる。

方法５００の工程５３０は、第二ドープIII-Ｖ族化合物層を、ＭＱＷ層上に形成し、その成長期間中の圧力は、ある圧力に減少する。第二ドープIII-Ｖ族化合物層と第一ドープIII-Ｖ族化合物層の導電型は異なる。ある具体例において、第二ドープIII-Ｖ族化合物層はＰ型ドープ窒化ガリウム（Ｐ−ＧａＮ）層である。ある具体例において、第一圧力を利用して、Ｐ−ＧａＮ層は二段階で成長し、ｐ−ＧａＮ層の第一部分は、第一段階で成長する。Ｐ−ＧａＮ層の第一部分は、実質的に線形のドーピング濃度曲線を有する。Ｐ−ＧａＮ層の第二部分は、第二圧力を用いて、第二段階で成長する。Ｐ−ＧａＮ層の第二部分は、実質上、指数関数的ドーピング濃度曲線を有している。Ｐ−ＧａＮ層の第一部分は、ｐ−ＧａＮ層の第二部分より、少なくとも数倍厚い。Ｐ−ＧａＮ層の第一部分も、実質上、第二部分より低いドーピング濃度レベルを有する。

ここで議論される工程５１０〜５３０の光素子の製造を完成前、製造中、製造後、追加プロセスが実行されることが理解できる。たとえば、ある具体例において、工程５３０が実行された後、金属層が第二ドープ層上に形成される。金属層がサブマウントに接合される。その後、基板が除去されて、第一ドープIII-Ｖ族化合物層を露出させる。第一ドープIII-Ｖ族化合物層の表面が粗面化される。その後、一個以上の金属接点が、第一ドープIII-Ｖ族化合物層の粗面上に形成される。簡潔にするため、他のプロセスは詳述しない。

図１２は、本発明の各種態様により製造されるＬＥＤを含む照明モジュール６００を示す。照明モジュール６００は、ベース６１０、ベース６１０に取り付けられるボディ６２０、および、ボディ６２０に取り付けられるランプ６３０を有する。ある具体例において、ランプ６３０はダウンランプ（または、ダウンライト照明モジュール）である。別の具体例において、ランプ６３０は、別の適当な照明器具である。ランプ６３０は、図１から図１１に関連して詳説されるＬＥＤを、その光源とする。つまり、照明モジュール６００のランプ６３０のＬＥＤはＰ−ＧａＮ層を含む垂直型ＬＥＤで、Ｐ−ＧａＮ層はＰ^-層とＰ⁺層を有し、Ｐ⁺層は、その形成中、チャンバ内圧力を減少させることにより形成される。それ故に、Ｐ⁺層は、指数関数的ドーピング濃度プロファイルを有する。

ここで開示される具体例によるＬＥＤは、現存するＬＥＤよりも多くの長所がある。理解されるべきことは、上述の内容は全ての長所が示されているのではなく、異なる実施例は、別の長所を提供することができ、特定の長所が全ての実施例に要求されるものではないことである。

ひとつの利点は、ＬＥＤの光出力電力が改善されることである。前述のように、Ｐ−ＧａＮ層の実質的大部分が、比較的低いドーピング濃度レベルで形成されている。低ドーピング濃度レベルは欠陥を減少させ、これは、Ｐ−ＧａＮ層中の光吸収が最小化されることを意味する。よって、ＬＥＤダイは、内部で光が吸収されず、より多くの光をＬＥＤの外部に反射し、進み、これにより、その光出力特性を向上させる。

別の利点は、ＬＥＤダイの電極との接触抵抗またはシート抵抗が減少することである。Ｐ−ＧａＮ層（つまり、Ｐ⁺層）の表面部分は、圧力を減少させて成長することによりドープされるので、指数関数的にそのドーピング濃度レベルが増加する。つまり、Ｐ⁺層は、高いドーピング濃度レベルでドープされ、形成される電極としての金属層と好ましい界面を有させる。よって、接触抵抗またはシート抵抗が減少する。順方向電圧も、実質上、同様の理由で減少する。さらに、ドーピング濃度レベルが高いため、Ｐ⁺層はキャリア移動度が高く、電流拡散能力を改善する。

本発明の実施例は照明装置を含む。照明装置はフォトニックダイを有し、第一導電型の第一ドープIII-Ｖ族化合物層と、第一導電型と異なる第二導電型の第二ドープIII-Ｖ族化合物層、および、第一と第二のドープIII-Ｖ族化合物層間に設けられる多重量子井戸（ＭＱＷ）層を含み、第一のIII-Ｖ族化合物層は、指数関数的セグメントを含むドーピング濃度曲線を有している。

ある具体例において、第一のドープIII-Ｖ族化合物層はＰ型ドープ窒化ガリウム（Ｐ−ＧａＮ）層である。第一のドープIII-Ｖ族化合物層はマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。

ある具体例において、ドーピング濃度曲線は深さの関数である。

ある具体例において、ドーピング濃度曲線は、さらに、ほぼ線形のセグメントを含む。ある具体例において、第一のIII-Ｖ族化合物層は第一部分と第二部分を含み、第一部分は、第二部分より、ＭＱＷ層に接近する。ドーピング濃度曲線中のほぼ線形のセグメントは、第一のIII-Ｖ族化合物層の第一部分に対応する。ドーピング濃度曲線中の指数関数的セグメントは、第一のIII-Ｖ族化合物層の第二部分に対応する。ある具体例において、第一部分は、第二部分よりも少なくとも数倍厚い。

ある具体例において、指数関数セグメントは、約１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から約１．５×１０²⁰イオン／ｃｍ³までドーピング濃度レベルを変化させる、および、ほぼ線形のセグメントは、約１．０×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から約１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³までドーピング濃度レベルを変化させる。

ある具体例において、フォトニックダイは、垂直型発光装置（ＬＥＤ）ダイを含む。

ある具体例において、照明装置は、さらに、フォトニックダイが搭載される照明モジュールを含む。

本発明のさらに別の具体例はＬＥＤを含む。そのＬＥＤは、基板、その基板上に設けられるＰドープIII-Ｖ族化合物層とＮドープIII-Ｖ族化合物層、および、ＰドープIII-Ｖ族化合物層とＮドープIII-Ｖ族化合物層間に設けられる多重量子井戸（ＭＱＷ）層を有し、ＰドープIII-Ｖ族化合物層は、指数関数的でないドーピング濃度特性を有する第一領域と指数的に変化するドーピング濃度特性を有する第二領域を含んでいる。

ある具体例において、ＰドープIII-Ｖ族化合物層の第一領域は、ＰドープIII-Ｖ族化合物層の第二領域より、ＭＱＷ層に接近する。

ある具体例において、ＰドープIII-Ｖ族化合物層は窒化ガリウム材料を含む。ＰドープIII-Ｖ族化合物層の第一領域は約１．０×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から約１．５ｘ１０¹⁹イオン／ｃｍ³の幅のドーピング濃度レベルを有する。ＰドープIII-Ｖ族化合物層の第二領域は、約１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から約１．５×１０²⁰イオン／ｃｍ³の幅のドーピング濃度レベルを有する。

ある具体例において、指数関数的でないドーピング濃度特性は、実質的に線形のドーピング濃度曲線を含む。

ある具体例において、第一領域の深さは、第二領域の深さより数倍大きい。

ある具体例において、ＬＥＤは垂直型ＬＥＤである。基板は、窒化ガリウム基板、シリコンサブマウント、セラミックサブマウントまたは金属サブマウントである。

本発明の又別の具体例は、ＬＥＤの製造方法を含む。その方法は、第一のドープIII-Ｖ族化合物層を基板上で成長させる工程と、多重量子井戸（ＭＱＷ）層を第一ドープIII-Ｖ族化合物層上で成長させる工程と、第二のドープIII-Ｖ族化合物層をＭＱＷ層上で成長させる工程と、を含み、第二のドープIII-Ｖ族化合物層は、第一のドープIII-Ｖ族化合物層と異なる導電型を有し、第二のドープIII-Ｖ族化合物層の成長は、第二のドープIII-Ｖ族化合物層の成長期間中、ある時点で、圧力を減少させる。

ある具体例において、第二のドープIII-Ｖ族化合物層はＰ型ドープ窒化ガリウム化合物層で、第二のドープIII-Ｖ族化合物層の成長は、第一圧力を用いて、第二のIII-Ｖ族化合物層の第一部分を成長させ、第一部分が、実質的に線形のドーピング濃度曲線を有する工程と、第一圧力より低い第二圧力を用いて、第二のIII-Ｖ族化合物層の第二部分を成長させ、第二部分が、実質上、指数関数的なドーピング濃度曲線を有する工程と、を含む。ある具体例において、第一部分は、第二部分より何倍も厚い。ある具体例において、第一部分は、実質的に、第二部分より低いドーピング濃度レベルを有する。

ある具体例において、本方法は、第二のドープIII-Ｖ族化合物層成長後、さらに、金属層を第二のドープIII-Ｖ族化合物層上に形成する工程と、金属層をサブマウントに接合する工程と、基板を除去して、第一のドープIII-Ｖ族化合物層を露出する工程と、第一のドープIII-Ｖ族化合物層の表面を粗面化する工程と、ひとつ以上の金属接点を、第一のドープIII-Ｖ族化合物層の粗面上に形成する工程と、を含む。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や代替や改造を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

４０、２１０、３００ 基板
５０ アンドープ半導体層
６０、１００ ドープ半導体層
８０ 多重量子井戸
１００Ａ、１００Ｂ 部分
１２０ プロット図
１３０ 曲線
１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ セグメント
１４０ レーザースクライビングプロセス
１５０、１７０ パッシベーション層
１６０ 開口
１８０、１９０ 金属層
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ ＬＥＤダイ
２２０、３１０ ボンディング金属層
２３０ 粗面
２５０、３５０、３７０、３８０ 金属接点
２７０ ボンディング材料
３２０ 透明コンタクト層
３６０ コンタクト層
５００ 方法
５１０、５２０、５３０ 工程
６００ 照明モジュール
６１０ ベース
６２０ ボディ
６３０ ランプ

Claims (10)

1. 第一導電型の第一のドープIII-Ｖ族化合物層と、
   前記第一導電型と異なる第二導電型の第二のドープIII-Ｖ族化合物層、および
   前記第一と第二のドープIII-Ｖ族化合物層の間に設けられる多重量子井戸（ＭＱＷ）層と、
   を含み、
   前記第一のIII-Ｖ族化合物層は、指数関数的にドーピング濃度が変化するセグメントを含むドーピング濃度曲線を有することを特徴とする装置。
2. 前記ドーピング濃度曲線は、さらに、ドーピング濃度の変化がほぼ線形のセグメントを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記第一のIII-Ｖ族化合物層は、第一部分および第二部分を有し、前記第一部分は、前記第二部分より前記ＭＱＷ層に接近し、
   前記ドーピング濃度曲線中のほぼ線形のセグメントは、前記第一のIII-Ｖ族化合物層の前記第一部分に対応し、
   前記ドーピング濃度曲線中の前記指数関数的に変化するセグメントは、前記第一のIII-Ｖ族化合物層の前記第二部分に対応することを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記指数関数的に変化するセグメントは、約１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から１．５×１０²⁰イオン／ｃｍ³のドーピング濃度レベルを有し、
   前記ほぼ線形のセグメントは、１．０×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³のドーピング濃度レベルを有することを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 基板と、
   それぞれ、前記基板上に設けられるＰドープIII-Ｖ族化合物層およびＮドープIII-Ｖ族化合物層、および
   前記ＰドープIII-Ｖ族化合物層と前記ＮドープIII-Ｖ族化合物層間に設けられる多重量子井戸（ＭＱＷ）層、
   を含み、
   前記ＰドープIII-Ｖ族化合物層は、指数関数的には変化しないドーピング濃度特性を有する第一領域および指数関数的に変化するドーピング濃度特性を有する第二領域を含むことを特徴とする発光装置（ＬＥＤ）。
6. 前記ＰドープIII-Ｖ族化合物層の前記第一領域は、前記ＰドープIII-Ｖ族化合物層の前記第二領域より、前記ＭＱＷ層に接近し、
   前記ＰドープIII-Ｖ族化合物層は窒化ガリウム材料を含み、
   ＰドープIII-Ｖ族化合物層の前記第一領域は、１．０×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³のドーピング濃度レベルを有し、
   前記ＰドープIII-Ｖ族化合物層の前記第二領域は、１．５×１０¹⁹イオン／ｃｍ³から１．５×１０²⁰イオン／ｃｍ³のドーピング濃度レベルを有することを特徴とする請求項５記載のＬＥＤ。
7. 前記指数関数的には変化しないドーピング濃度特性は、実質的に線形のドーピング濃度曲線を含むことを特徴とする請求項５記載のＬＥＤ。
8. チャンバ内で、第一のドープIII-Ｖ族化合物層を基板上で成長させる工程と、
   前記チャンバ内で、多重量子井戸（ＭＱＷ）層を前記第一のドープIII-Ｖ族化合物層上に成長させる工程と、
   前記チャンバ内で、前記第一のドープIII-Ｖ族化合物層と異なる導電型の第二のドープIII-Ｖ族化合物層を、前記ＭＱＷ層上で成長させる工程と、
   を含み、
   前記第二のドープIII-Ｖ族化合物層の前記成長は、前記第二のドープIII-Ｖ族化合物層の前記成長中、チャンバ内の圧力を変化させる工程を含むことを特徴とする発光装置（ＬＥＤ）の製造方法。
9. 前記第二のドープIII-Ｖ族化合物層はＰ型ドープ窒化ガリウム化合物層で、前記第二のドープIII-Ｖ族化合物層の前記成長は、
   第一圧力を用いて、前記第二のIII-Ｖ族化合物層の第一部分を成長させ、前記第一部分は、実質的に線形のドーピング濃度曲線を有する；および
   前記第一圧力より低い第二圧力を用いて、前記第二のIII-Ｖ族化合物層の第二部分を成長させ、前記第二部分は、実質上、指数関数的に変化するドーピング濃度曲線を有することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記第一部分は、前記第二部分より何倍か厚く、前記第一部分は、実質上、前記第二部分より低いドーピング濃度レベルを有することを特徴とする請求項９記載の方法。

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