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光電子応用のための(Al,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法 実績あり

国内特許コード P110004282
整理番号 E067P15
掲載日 2011年7月11日
出願番号 特願2008-517176
公表番号 特表2008-547210
登録番号 特許第5043835号
出願日 平成18年6月16日(2006.6.16)
公表日 平成20年12月25日(2008.12.25)
登録日 平成24年7月20日(2012.7.20)
国際出願番号 US2006023588
国際公開番号 WO2006138626
国際出願日 平成18年6月16日(2006.6.16)
国際公開日 平成18年12月28日(2006.12.28)
優先権データ
  • 60/691,710 (2005.6.17) US
  • 60/732,319 (2005.11.1) US
  • 60/764,881 (2006.2.3) US
発明者
  • 村井 章彦
  • クリスティーナ・イェ・チェン
  • ダニエル・ビー・トンプソン
  • リー・エス・マッカーシー
  • スティーブン・ピー・デンバース
  • シュウジ・ナカムラ
  • ウメシュ・ケー・ミシュラ
出願人
  • ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 光電子応用のための(Al,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法 実績あり
発明の概要 光が導電性のあるZnOを通過し、(Al,Ga,In)NとZnOが直接ウェーハ・ボンディングされた発光ダイオード(LED)を提供する。(Al,Ga,In)NとZnOのウェーハの両方に平坦で清潔な表面を準備する。次に(Al,Ga,In)NとZnOウェーハの間でウェーハ・ボンディング工程を行うが、これは(Al,Ga,In)NとZnOウェーハを互いに張り合わせて、そこで窒素雰囲気中で一軸性圧力の下、設定温度で設定された時間ウェーハ・ボンディングを行う。ウェーハ・ボンディング工程の後、ZnOはLEDの内部から光取り出し量を増加させるために整形される。
従来技術、競合技術の概要


2.関連技術の説明
(注意:本明細書は、多くの異なる文献を参照している。これら文献のそれぞれは以下の「参考文献」と題したセクションに見出すことができる。これら参考文献のそれぞれは参照として本明細書中に組み込まれている。)
InP/GaAs、AlGaInP/GaP、GaAs/GaN、ZnSSe/GaNのような異なる材料の組み合わせを用いるウェーハ・ボンディング技術は、発光ダイオード(LED)、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)、および電子デバイスの光電子集積への応用を目的として研究されてきた[非特許文献1、2、3、4]。



窒化物LED系においては、p型GaN層上に透明電極を作製することに関する報告はいくつかある。一般的な方法はNiとAuの薄い金属膜を用いることである[非特許文献5]。金属において光が吸収されるため、透過率はわずか60%程度である。また、GaN材料が硬くp型GaNの導電率が不安定であるため、光取り出し効率の改良のために表面に特徴的な形状を整形することは困難である。



他にはp型GaN上に酸化亜鉛(ZnO)層を成長する方法がある[非特許文献6]。しかしながらこの方法はZnOの結晶成長装置と超高真空条件を用いることを必要とする。更に、光取り出しのために特徴的な形状を整形するのに適した、例えば厚さ~500μmの層のような厚い層を成長するのが困難である。



そこで必要とされるのは上記のような材料系におけるウェーハ・ボンディング技術の改良された方法である。本発明はそのようなニーズを満たすものであり、(Al,Ga,In)NウェーハとZnOウェーハとの間の直接ウェーハ・ボンディングを行う初めての実験例を含んでいる。
【非特許文献1】
Appl.Phys.Lett.56,737-39(1990)
【非特許文献2】
Appl.Phys.Lett.64,2839-41(1994)
【非特許文献3】
Appl.Phys.Lett.81,3152-54(2002)
【非特許文献4】
Jpn.J.Appl.Phys.43,L1275-77(2004)
【非特許文献5】
Jpn.J.Appl.Phys.34,L797-99(1995)
【非特許文献6】
Jpn.J.Appl.Phys.43,L180-82(2004)
【非特許文献7】
J.Cryst.Growth 260,166-70(2004)
【非特許文献8】
Appl.Phys.Lett.84,855-857(2004)
【非特許文献9】
Proceeding of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes(1996),113
【非特許文献10】
New Semiconductor Materials,Characteristics and Properities,Ioffe Physico-Technical Institute,RussianFederation,1998
【非特許文献11】
New Semiconductor Materials,Characteristics and Properties,Ioffe Physico-Technical Institute,Russian Federation,1998,Thermochimica Acta 430,155-65(2005)

産業上の利用分野


関連出願の相互参照
本出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許出願の利益を主張するものである。



村井 章彦(Akihiko Murai)、クリスティーナ・Ye.チェン(Christina Ye Chen)、リー・S.マッカーシー(Lee S.McCarthy)、スティーブン・P.デンバース(Steven P.DenBaars)、中村 修二(Shuji Nakamura),およびウメシュ・K.ミシュラ(Umesh K.Mishra)による米国特許仮出願第60/691,710号、2005年6月17日出願、発明の名称「光電子応用のための(AI,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法((AI,Ga,In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD)」、代理人整理番号30794.134-US-P1(2005-536-1)、
村井 章彦、クリスティーナ・Ye.チェン、ダニエル・B.トンプソン(Daniel B.Thompson)、リー・S.マッカーシー、スティーブン・P.デンバース、中村 修二、およびウメシュ・K.ミシュラによる米国特許仮出願第60/732,319号、2005年11月1日出願、発明の名称「光電子応用のための(AI,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法((AI,Ga,In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD)」、代理人整理番号30794.134-US-P2(2005-536-2)、および
村井 章彦、クリスティーナ・Ye.チェン、ダニエル・B.トンプソン、リー・S.マッカーシー、スティーブン・P.デンバース、中村 修二、およびウメシュ・K.ミシュラによる米国特許仮出願第60/764,881号、2006年2月3日出願、発明の名称「光電子応用のための(AI,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造とその作製方法((AI,Ga,In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD)」、代理人整理番号30794.134-US-P3(2005-536-3)
これらの出願は全て参照として本明細書中に組み込まれている。



この出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の特許出願の関連出願である。



スティーブン・P.デンバース、中村 修二、増井 久(Hisashi Masui)、ナタリー・N.フォローズ(Natalie N. Follows)、および村井 章彦による米国特許仮出願第60/734,040号、2005年11月11日出願、発明の名称「高光取り出し効率の発光ダイオード(LED)(HIGH LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED))」、代理人整理番号30794.161-US-P1(2006-271-1)、
スティーブン・P.デンバース、中村 修二、およびジェームス・S.スペック(James S.Speck)による米国特許仮出願第60/748,480号、2005年12月8日出願、発明の名称「高効率発光ダイオード(LED)(HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED))」、代理人整理番号30794.164-US-P1(2006-318-1)、および
スティーブン・P.デンバース、中村 修二、ジェームス・S.スペックによる米国特許仮出願第60/7スティーブン5号、2006年2月3日出願、発明の名称「高効率発光ダイオード(LED)(HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE (LED))」、代理人整理番号30794.164-US-P2(2006-318-2)
これらの出願は全て参照として本明細書中に組み込まれている。
1.本発明の技術分野
本発明は光電子応用のためのウェーハ・ボンディング技術に関するものである。より具体的には、本発明は高効率(Al,Ga,In)Nベースの発光ダイオードのための、および光電子応用のための(Al,Ga,In)NとZnOの直接ウェーハ・ボンディング構造と、その作製方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
光デバイスであって、
n型III 族窒化物、活性領域、およびp型III 族窒化物を備えたIII 族窒化物光電子デバイスと、
前記III 族窒化物光デバイスのZn面上の一つ以上の側面にウェーハ・ボンディングされた一つ以上の透明ZnO導電体層であって、該透明ZnO導電体層とIII 族窒化物光デバイスとの融着であるウェーハ・ボンディングされた少なくとも一つの界面を形成するための該透明ZnO導電体層と
を備え、光が前記透明ZnO導電体層を通過し、前記透明ZnO導電体層が透明であるために前記III 族窒化物内の光吸収を低減し、前記透明ZnO導電体層のO面は前記透明ZnO導電体層からの光取出しを改良するために整形され、前記透明ZnO導電体層が導電性であるために、活性領域から発する光を均一にすることを特徴とする光デバイス。

【請求項2】
前記透明ZnO導電体層がn型あるいはp型であることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項3】
前記III 族窒化物光電子デバイスはc面III 族窒化物を含んで構成され、前記透明ZnO導電体層はc面ZnO層であることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項4】
前記透明ZnO導電体層は粗面化または整形されていることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項5】
前記III 族窒化物光電子デバイスが発光ダイオード(LED)であり、前記粗面化または整形されている透明ZnO導電体層はLEDの内部で繰り返し起きている光反射を低減し、これにより前記LEDからの光をより多く取り出すことを特徴とする、請求項に記載の光デバイス。

【請求項6】
前記透明ZnO導電体層が、一つ以上の切頂六角錐状に整形されていることを特徴とする、請求項に記載の光デバイス。

【請求項7】
前記粗面化または整形されている透明ZnO導電体層は多面体を形成する{10-11}面をもつ表面を持つことを特徴とする、請求項に記載の光デバイス。

【請求項8】
前記透明ZnO導電体層の有極性面がIII 族窒化物ウェーハにウェーハ・ボンディングされることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項9】
前記p型III 族窒化物あるいはn型III 族窒化物上に成膜された中間コンタクト層をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項10】
前記中間コンタクト層は交差指型に作られたコンタクト層を含むことを特徴とする、請求項に記載の光デバイス。

【請求項11】
前記交差指型に作られたコンタクト層は格子状のパターンを形成し、その層の隙間のギャップが前記III 族窒化物光デバイスからの光を通すことを特徴とする、請求項10に記載の光デバイス。

【請求項12】
前記中間コンタクト層は透明か半透明であることを特徴とする、請求項に記載の光デバイス。

【請求項13】
前記中間コンタクト層は厚いコンタクト層を含んで構成されることを特徴とする、請求項に記載の光デバイス。

【請求項14】
前記III 族窒化物光電子デバイスと前記透明ZnO導電体層の間に挿入されて、ウェーハ・ボンディングされた界面における電気抵抗を低減するような薄い金属または金属酸化膜(Pt、Al、Ni、Au、酸化Niまたは酸化Ga)を含む中間コンタクト層を更に備えることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項15】
少なくとも一つのn型電極と少なくとも一つのp型電極を備えることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項16】
前記p型電極がn型ZnO上に形成されることを特徴とする、請求項15に記載の光デバイス。

【請求項17】
前記n型電極がGa面をもつn型GaN上に形成されることを特徴とする、請求項15に記載の光デバイス。

【請求項18】
前記n型電極がN面をもつn型GaN上に形成されることを特徴とする、請求項15に記載の光デバイス。

【請求項19】
前記III 族窒化物光電子デバイスが適当な基板上に形成されることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。

【請求項20】
光が一つ以上の透明ZnO導電体層を通過することを特徴とする直接ウェーハ・ボンディングされた光デバイスを作製する方法であって、
(a)一つ以上の透明ZnO導電体層およびボンディングされる側のIII 族窒化物光電子デバイスに対して平坦で正常な表面を準備するステップと、
(b)前記III 族窒化物光電子デバイスと前記透明ZnO導電体層のZn面との間で直接ウェーハ・ボンディング工程を行うことにより、前記透明ZnO導電体層とIII 族窒化物光デバイスとの融合であるウェーハ・ボンディングされた少なくとも一つの界面を形成するステップであって、前記透明ZnO導電体層のO面は前記透明ZnO導電体層からの光取出しを改良するために整形されることを特徴とするステップを備えることを特徴とする方法。

【請求項21】
前記III 族窒化物光電子デバイスと前記透明ZnO導電体層とが張り合わされて、その後、窒素雰囲気中で一軸性圧力の下、所定の温度で所定の時間ウェーハ・ボンディングされることを特徴とする、請求項20に記載の方法。

【請求項22】
前記III 族窒化物光デバイスと前記透明ZnO導電体層とをウェーハ・ボンディング用の炉の中に装着して、炉はN2 ガス流中で1時間600℃の温度に加熱されることを特徴とする、請求項20に記載の方法。

【請求項23】
直接ウェーハ・ボンディングの前に、ウェーハ・ボンディングされる界面での導電率を高めるステップを更に備えることを特徴とする、請求項20に記載の方法。

【請求項24】
前記ウェーハ・ボンディングされる界面での導電率を高めるために、前記ウェーハ・ボンディング工程の前に前記透明ZnO導電体層の表面をプラズマ処理することを特徴とする、請求項23に記載の方法。

【請求項25】
前記ウェーハ・ボンディング工程の前に前記III 族窒化物光電子デバイスの表面を部分的に整形してウェーハ・ボンディングされる界面を強化することを特徴とする、請求項20に記載の方法。

【請求項26】
前記ウェーハ・ボンディング工程の後または前に、前記透明ZnO導電体層の前記O面表面を粗面化または整形することを特徴とする、請求項20に記載の方法。

【請求項27】
前記整形するステップは異方性エッチングによって行われることを特徴とする、請求項26に記載の方法。

【請求項28】
前記異方性エッチングは化学エッチングであることを特徴とする、請求項27に記載の方法。

【請求項29】
前記エッチングは塩酸(HCl)または希釈HCl中であることを特徴とする、請求項28に記載の方法。

【請求項30】
請求項20に記載の方法で作製される光デバイス。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 中村不均一結晶プロジェクト 領域
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