JP2005072148A - Nitride semiconductor device - Google Patents

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洋一郎 大内
Kazuyuki Tadatomo
一行 只友
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広明 岡川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a GaN semiconductor device which is hardly deteriorated or decomposed by short wavelength light related to a GaN semiconductor element and has a die-bonding structure which has an improved reflection capability. <P>SOLUTION: A metal material is used for a bonding material 3, and the backside of a crystalline substrate S1 is metallized by a metal laminate 4 when die-bonding the GaN element 2. The metal laminate 4 at least includes a reflection layer 4a having a function to reflect light emitted inside the element structure or light targeted to be received which has passed through the element structure, to the element structure side, and a protection layer 4b existing between the reflection layer and the die-bonding material layer and having a function to protect the reflection layer from the die-bonding material layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化物系半導体素子を実装用基板上にボンディングしてなる半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device formed by bonding a nitride-based semiconductor element on a mounting substrate.

窒化物系半導体素子は、その素子構造の主要部分に窒化物系半導体を用いた素子であって、発光素子、受光素子、パワーデバイスなど、種々の素子が挙げられる。例えば、LED、LDなどの発光素子の場合、発光層に用いられる窒化物系半導体の組成を選択することによって、青色〜紫外に至る短波長光を発光させることが可能である(例えば、発光素子として特許文献1、受光素子として特許文献2)。   The nitride-based semiconductor element is an element using a nitride-based semiconductor as a main part of its element structure, and includes various elements such as a light-emitting element, a light-receiving element, and a power device. For example, in the case of a light emitting element such as an LED or LD, it is possible to emit light having a short wavelength ranging from blue to ultraviolet by selecting a composition of a nitride-based semiconductor used in the light emitting layer (for example, a light emitting element). Patent Document 1) and Patent Document 2) as a light receiving element.

窒化物系半導体とは、式AlaInbGa1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で決定される3属窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InNなど、任意の組成のものが例示される。以下、「窒化物系半導体」を、「GaN系半導体」とも呼ぶ。 A nitride-based semiconductor is a compound semiconductor composed of a Group III nitride determined by the formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). For example, those having an arbitrary composition such as GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, and InN are exemplified. Hereinafter, “nitride-based semiconductor” is also referred to as “GaN-based semiconductor”.

GaN系半導体素子は、そのままの状態では、半導体ウエハから分断された裸のチップ(「ダイ」とも呼ばれる)であり、これを使用するには、該チップを実装用基板に固定しかつ回路と接続しなければならない。これがチップ実装であり、その場合の実装用基板へのチップの固定がダイボンド(ダイボンディング)である。ダイボンドされたチップは、ワイヤーボンディングなどによって実装用基板上の回路と電気的に接続され、半導体装置となる。   A GaN-based semiconductor element is a bare chip (also referred to as a “die”) that is separated from a semiconductor wafer as it is. To use this, the chip is fixed to a mounting substrate and connected to a circuit. Must. This is chip mounting, and fixing of the chip to the mounting substrate in this case is die bonding (die bonding). The die-bonded chip is electrically connected to a circuit on the mounting substrate by wire bonding or the like, and becomes a semiconductor device.

チップを実装用基板上に実装する際の該チップの向きには、素子の結晶基板を下側にして結晶基板裏面を実装用基板面に接合する〔通常姿勢の実装〕と、結晶基板を上側にし結晶基板上に積層形成された素子構造上の電極を実装用基板の回路に接合する〔アップサイドダウン実装〕とがある。アップサイドダウン実装では、ダイボンドは、固定だけではなく、電気的な接続をも兼ねる場合がある。   When the chip is mounted on the mounting substrate, the orientation of the chip is such that the crystal substrate of the element is facing down and the back surface of the crystal substrate is bonded to the mounting substrate surface (mounting in a normal position). The electrode on the element structure laminated on the crystal substrate is joined to the circuit of the mounting substrate [upside down mounting]. In the upside down mounting, the die bond may not only be fixed but also serve as an electrical connection.

図4は、従来のGaN系半導体装置の一例を示す図である。同図の例では、実装用基板であるTo−18ステム台10上に、発光素子(LEDチップ)20が結晶基板21をステム台側(下側)にして、ダイボンド材料30を介して接合(ダイボンディング)され、発光装置となっている。電極P1、P2へのワイヤーボンディングやモールドなどは、図示を省略している。
以下の説明では、「半導体素子」、「半導体装置」は、いずれもGaN系半導体を主要部に用いたものであり、「GaN系」との表記を省略する場合がある。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a conventional GaN-based semiconductor device. In the example shown in the figure, a light emitting element (LED chip) 20 is bonded via a die bond material 30 on a To-18 stem base 10 which is a mounting substrate, with the crystal substrate 21 side (downside). Die bonding) to form a light emitting device. Illustration of wire bonding and molding to the electrodes P1 and P2 is omitted.
In the following description, “semiconductor element” and “semiconductor device” both use a GaN-based semiconductor as a main part, and the description of “GaN-based” may be omitted.

従来、半導体素子の実装に用いられているダイボンド材料としては、例えば、有機物を含んだ銀ペーストや、半田などの低融点金属が挙げられる(特許文献3、4)。
特開2000−101130号公報 特開2002−280609号公報 特開2003−069082号公報 特開平11−8414号公報
Conventionally, as a die bond material used for mounting a semiconductor element, for example, a silver paste containing an organic substance or a low melting point metal such as solder can be cited (Patent Documents 3 and 4).
JP 2000-101130 A JP 2002-280609 A JP 2003-069082 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-8414

しかし、銀ペーストを用いた従来のボンディングについて、本発明者等が詳細に検討したところ、銀ペーストは、取り扱いが容易であるという利点を有するが、ペーストに有機物が含まれているために、ボンディング後に次のような問題が生じていることがわかった。
該問題とは、GaN系素子では、主として青色〜紫外の短波長光の発光や受光を行うため、ペーストの有機物が該短波長光によって変質・分解するという問題である。
この変質・分解した物質は、発光素子では主発光を吸収するため、通常姿勢の実装では光の上方への反射を阻害し、また、受光素子では、変質・分解した物質がパッケージ内を汚染し、受光対象光を遮り、発光出力や受光感度を低下させる。
However, the inventors of the present invention have studied in detail about conventional bonding using silver paste. Silver paste has an advantage that it is easy to handle, but since the paste contains organic matter, Later, it was found that the following problems occurred.
The problem is that the GaN-based element mainly emits and receives blue to ultraviolet short-wavelength light, so that the organic matter in the paste is altered and decomposed by the short-wavelength light.
This altered / decomposed material absorbs the main light emission in the light emitting element, so that the normal orientation mounting impedes reflection of light upward, and in the light receiving element, the altered / degraded substance contaminates the inside of the package. The light to be received is blocked, and the light emission output and the light receiving sensitivity are lowered.

一方、半田などの低融点金属材料をボンディング材料として用いる場合には、上記銀ペーストの場合のような有機物に起因する問題は無い。しかしながら、このボンディング法については、反射性に関して改善すべき次の問題点が存在することがわかった。
例えば、半田をボンディング材料として用いる場合には、結晶基板(サファイアなど)と半田との接着性をより高めるために、結晶基板の裏面に、予め半田の下地としてメタライズ(金属膜を設けること)を施すことが従来より行われている。
On the other hand, when a low-melting-point metal material such as solder is used as a bonding material, there is no problem due to organic matter as in the case of the silver paste. However, it has been found that this bonding method has the following problems to be improved with respect to reflectivity.
For example, when solder is used as a bonding material, metallization (providing a metal film) is previously provided on the back surface of the crystal substrate as a solder base in order to further improve the adhesion between the crystal substrate (such as sapphire) and the solder. It has been performed conventionally.

半田に対する従来の典型的なメタライズは、下地(CrやNi)と表層Auとによるの2層構造である。しかし、本発明者等は、CrやNiが、GaN系素子に特有の短波長光については好ましい反射性を有する材料ではない点に着目している。このような材料が用いられている理由は、従来のメタライスが、あくまで半田と結晶基板との接合性をより高めることだけを目的としているためであって、メタライズ層で反射を行うという発想が無いからである。   A conventional typical metallization for solder has a two-layer structure of a base (Cr or Ni) and a surface layer Au. However, the inventors pay attention to the fact that Cr and Ni are not materials having preferable reflectivity with respect to short wavelength light peculiar to GaN-based elements. The reason why such a material is used is that the conventional metal rice is only for the purpose of further improving the bondability between the solder and the crystal substrate, and there is no idea of performing reflection on the metallized layer. Because.

一方、結晶基板の裏面にAl、Ag、Rhなどの金属膜を形成し反射層として用いる技術は知られているが、これらの金属をメタライズの材料としてCrやNiの代りに用いると、半田との合金化や、結晶基板との密着性が低下することがわかった。   On the other hand, a technique of forming a metal film such as Al, Ag, Rh, etc. on the back surface of the crystal substrate and using it as a reflective layer is known, but if these metals are used as a metallizing material instead of Cr or Ni, solder and It was found that the alloying and adhesion with the crystal substrate decreased.

本発明の課題は、上記問題点を解消し、GaN系半導体素子に関係する短波長光に対しても、変質・分解などが生じ難く、また反射性が改善されたダイボンディング構造を有するGaN系半導体装置を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to prevent short-wavelength light related to a GaN-based semiconductor element from being altered or decomposed, and to have a die bonding structure with improved reflectivity. It is to provide a semiconductor device.

本発明は次の特徴を有するものである。
(1)窒化物系半導体素子が実装用基板にダイボンディングされてなる半導体装置であって、該半導体素子はその素子の結晶基板が実装用基板側となる姿勢にて金属材料をダイボンド材料として介在させることによってダイボンディングされており、
結晶基板の裏面は金属積層体によってメタライズされ、該金属積層体には、
(a)素子構造内で発せられた光または素子構造内を通過してきた受光対象光を、素子構造側へ反射するよう機能する反射層と、
(b)前記反射層とダイボンド材料層との間に介在して、前記反射層をダイボンド材料層から保護するよう機能する保護層とが、
少なくとも含まれていることを特徴とする、窒化物系半導体装置。
The present invention has the following characteristics.
(1) A semiconductor device in which a nitride-based semiconductor element is die-bonded to a mounting substrate, the semiconductor element interposing a metal material as a die-bonding material in such a posture that the crystal substrate of the element is on the mounting substrate side Is die-bonded by
The back surface of the crystal substrate is metallized with a metal laminate,
(A) a reflective layer that functions to reflect light emitted within the element structure or light to be received that has passed through the element structure toward the element structure;
(B) a protective layer that is interposed between the reflective layer and the die bond material layer and functions to protect the reflective layer from the die bond material layer;
A nitride-based semiconductor device comprising at least the nitride-based semiconductor device.

(2)金属材料が半田である、上記(1)記載の窒化物系半導体装置。 (2) The nitride semiconductor device according to (1), wherein the metal material is solder.

(3)半田が、AuとSnとを主成分とする合金、AuとSiとを主成分とする合金、またはAuとGeとを主成分とする合金である、上記(2)記載の窒化物系半導体装置。 (3) The nitride according to (2), wherein the solder is an alloy containing Au and Sn as main components, an alloy containing Au and Si as main components, or an alloy containing Au and Ge as main components. Semiconductor device.

(4)金属積層体の反射層が、Al、Ag、およびRhから選ばれた1以上の金属材料からなる層である、上記(1)記載の窒化物系半導体装置。 (4) The nitride semiconductor device according to (1), wherein the reflective layer of the metal laminate is a layer made of one or more metal materials selected from Al, Ag, and Rh.

(5)金属積層体の保護層が、Ti、Ni、Cr、Co、およびPtから選ばれた1以上の金属材料からなる層である、上記(1)記載の窒化物系半導体装置。 (5) The nitride semiconductor device according to (1), wherein the protective layer of the metal laminate is a layer made of one or more metal materials selected from Ti, Ni, Cr, Co, and Pt.

(6)反射層と結晶基板との間に、これらの密着性を高めるための密着層がさらに介在している、上記(1)記載の窒化物系半導体装置。 (6) The nitride semiconductor device according to (1), wherein an adhesion layer for enhancing the adhesion is further interposed between the reflective layer and the crystal substrate.

(7)結晶基板の裏面が凹凸面として加工され、該凹凸面が上記金属積層体によってメタライズされている、上記(1)記載の窒化物系半導体装置。 (7) The nitride semiconductor device according to (1), wherein the back surface of the crystal substrate is processed as an uneven surface, and the uneven surface is metallized with the metal laminate.

本発明では、先ず、金属材料(所謂、ろう付けに用いる材料)をダイボンド材料として用いることによって、銀ペーストに見られる有機物の変質・分解の問題を解消している。次に、金属材料をダイボンド材料として用いるには、結晶基板の裏面に対してメタライジングが必要であるが、本発明では、該メタライズ層を反射層、保護層、さらには密着層を含んだ多層構造とすることによって、良好な反射性と、結晶基板との良好な密着性とを両方確保することを可能としている。このダイボンド構造によって、特に発光素子では、確実な実装と、光の外部取り出し効率の向上が達成される。   In the present invention, first, a metal material (so-called brazing material) is used as a die-bonding material, thereby solving the problem of deterioration and decomposition of organic substances found in silver paste. Next, in order to use a metal material as a die bond material, metallization is necessary for the back surface of the crystal substrate. In the present invention, the metallized layer is a multilayer including a reflective layer, a protective layer, and an adhesion layer. By adopting a structure, it is possible to ensure both good reflectivity and good adhesion to the crystal substrate. With this die bond structure, particularly in a light-emitting element, reliable mounting and improvement of light extraction efficiency can be achieved.

以下に、GaN系LEDのチップをステム上にダイボンドする場合を例として用い、本発明を説明する。
図1に示すように、本発明の半導体装置は、GaN系半導体素子2がダイボンド材料3によって実装用基板1にダイボンディングされた構造を有している。ダイボンド材料は、ろう付けに用いられる金属材料(特に融点500℃以下の低融点金属)である。素子2は、結晶基板S1を有しており、該結晶基板S1の裏面は、金属積層体4によってメタライズされている。
該金属積層体には、上記(1)の(a)の反射層4aと、(b)の保護層4bとが、少なくとも含まれている。
Hereinafter, the present invention will be described using a case where a GaN LED chip is die-bonded on a stem as an example.
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of the present invention has a structure in which a GaN-based semiconductor element 2 is die-bonded to a mounting substrate 1 with a die-bonding material 3. The die bond material is a metal material (particularly a low melting point metal having a melting point of 500 ° C. or lower) used for brazing. The element 2 has a crystal substrate S 1, and the back surface of the crystal substrate S 1 is metallized by a metal laminate 4.
The metal laminate includes at least the reflective layer 4a of (a) in (1) and the protective layer 4b of (b).

半導体素子の種類、機能に限定はなく、LEDや半導体レーザーなどの発光素子、受光素子、その他、パワーデバイスなど、種々の素子であってよい。本発明では、青色光〜紫外線の光に対する対策を付与しているので、波長500nm以下、特に420nm以下の光を発光または受光する素子である場合に、本発明の有用性は特に顕著となる。   There are no limitations on the types and functions of the semiconductor elements, and various elements such as light emitting elements such as LEDs and semiconductor lasers, light receiving elements, and other power devices may be used. In the present invention, since measures against blue light to ultraviolet light are given, the usefulness of the present invention is particularly remarkable when the element emits or receives light having a wavelength of 500 nm or less, particularly 420 nm or less.

図1に例示する半導体素子2はLEDであって、結晶基板S1上に、順にn型GaNコンタクト層S2、発光層(活性層)S3、p型AlGaNクラッド層S4、p型GaNコンタクト層S5をエピタキシャル成長させてなる積層構造となっている。
各層の組成、積層数は一例であって、コンタクト層とクラッド層とは別々でも兼用でもよく、発光層は、多重量子井戸構造のような積層構造となっていてもよい。また、必要に応じてさらなるGaN系結晶層が加えられてもよい。また、該積層体Sは、GaN系材料以外の材料からなる構造(後述のSiO2マスクパターンなど)を部分的に含んでいてもよい。
The semiconductor element 2 illustrated in FIG. 1 is an LED, and an n-type GaN contact layer S2, a light emitting layer (active layer) S3, a p-type AlGaN cladding layer S4, and a p-type GaN contact layer S5 are sequentially formed on a crystal substrate S1. It has a laminated structure formed by epitaxial growth.
The composition of each layer and the number of stacked layers are examples, and the contact layer and the clad layer may be separate or combined, and the light emitting layer may have a stacked structure such as a multiple quantum well structure. Further, an additional GaN-based crystal layer may be added as necessary. In addition, the stacked body S may partially include a structure (such as a SiO 2 mask pattern described later) made of a material other than a GaN-based material.

素子の結晶基板は、GaN系結晶がエピタキシャル成長し得る結晶基板であればよく、材料としては、例えば、サファイア(C面、A面、R面)、SiC(6H、4H、3C)、GaN、AlN、Si、スピネル、ZnO、GaAs、NGOなどが挙げられる。
結晶基板上に高品質なGaN系結晶層を成長させるために必要となる構造は適宜含んでいてよい。例えば、バッファ層(特に、GaN、AlNなどを低温で成長させた、所謂、低温成長バッファ層)の介在、結晶基板面にSiO2マスクパターンや凹凸を形成し、GaN系結晶をラテラル成長やファセット成長させて転位密度を低下させる構造などが挙げられる。
The crystal substrate of the device may be a crystal substrate on which a GaN-based crystal can be epitaxially grown. Examples of the material include sapphire (C plane, A plane, R plane), SiC (6H, 4H, 3C), GaN, AlN. , Si, spinel, ZnO, GaAs, NGO and the like.
A structure necessary for growing a high-quality GaN-based crystal layer on the crystal substrate may be included as appropriate. For example, a buffer layer (especially a so-called low-temperature growth buffer layer in which GaN, AlN, etc. are grown at a low temperature) is interposed, a SiO 2 mask pattern or unevenness is formed on the crystal substrate surface, and a GaN crystal is laterally grown or faceted. Examples include a structure that grows and lowers the dislocation density.

本発明に用いられるダイボンド材料は、実装用基板と素子との間に介在してダイボンド材料として機能し得る金属材料であればよい。このような金属材料としては、Inや、例えば上記特許文献に接合材料として例示されたとおり、Pb−Pd系、Au−Ga系、Au−Ge系、Au−Si系、Al−Zn系、Al−Ge系、Al−Mg系、Au−In系、Ag−Mg系、Al−Cu系、Al−Si系、Al−Si−Mg系、Al−Si−Zn系、Al−Pd系、Al−In系、Cu−Ge系、Ag−Ge系、Cu−In系、Au−Zn系、またはAu−Sn系の合金が挙げられる。   The die bond material used in the present invention may be any metal material that can function as a die bond material by being interposed between the mounting substrate and the element. Examples of such a metal material include In, for example, Pb—Pd, Au—Ga, Au—Ge, Au—Si, Al—Zn, Al, as exemplified as the bonding material in the above-mentioned patent document. -Ge, Al-Mg, Au-In, Ag-Mg, Al-Cu, Al-Si, Al-Si-Mg, Al-Si-Zn, Al-Pd, Al- In-based, Cu-Ge-based, Ag-Ge-based, Cu-In-based, Au-Zn-based, or Au-Sn-based alloys can be given.

上記ダイボンド材料のなかでも、融点500℃以下の金属材料、特に融点400℃以下の金属材料が好ましい。このような金属としては、半田が挙げられる。好ましい半田としては、AuとSnとを主成分とする合金、AuとSiとを主成分とする合金、またはAuとGeとを主成分とする合金などが挙げられる。これらの中でも特に共晶半田は、融点がより低く好ましい。
上記のような低融点金属であれば、(い)低温でボンディングができ製造効率がよい、(ろ)低温でのボンディングのため、ダイボンド材料と反射層との反応を薄い保護層によって充分に防止できる、(は)GaN系素子がInを含む組成の層(例えば、InGaN層など)を含む場合、該層の分解温度は比較的低く、熱に弱い性質があるため、低温でのボンディングであれば該層に熱的なダメージを与えない、などの特長が得られる。
ダイボンド材料が上記のような低融点金属であっても、一般的な用途であれば耐熱性は十分に確保し得る。
Among the die bond materials, metal materials having a melting point of 500 ° C. or less, particularly metal materials having a melting point of 400 ° C. or less are preferable. An example of such a metal is solder. Preferable solder includes an alloy mainly composed of Au and Sn, an alloy mainly composed of Au and Si, or an alloy mainly composed of Au and Ge. Among these, eutectic solder is particularly preferable since it has a lower melting point.
If it is a low melting point metal as described above, (i) bonding can be performed at low temperature and manufacturing efficiency is good. (B) Because of bonding at low temperature, the reaction between the die bond material and the reflective layer is sufficiently prevented by a thin protective layer. If the GaN-based device includes a layer containing In (eg, an InGaN layer), the decomposition temperature of the layer is relatively low and heat-sensitive. For example, such a feature that the layer is not thermally damaged can be obtained.
Even if the die bond material is a low melting point metal as described above, sufficient heat resistance can be ensured for general applications.

実装用基板は、素子をダイボンディングするためのものであればよく、例えば、発光素子用、受光素子用のステム、平面実装用セラミック基板などが挙げられる。   The mounting substrate may be any substrate for die-bonding the element, and examples thereof include a light emitting element, a light receiving element stem, and a planar mounting ceramic substrate.

金属積層体に少なくとも含まれる上記(a)の反射層は、発光、受光に関する短波長光を好ましく反射し得る材料が好ましい。このような材料としては、Al、Ag、Rhなどが挙げられる。
反射層の厚さは、10nm以上、特に、50nm以上が好ましい厚さである。厚さの上限は限定されないが、通常の素子では100μm程度以下が好ましい。
The reflective layer (a) contained at least in the metal laminate is preferably made of a material that can preferably reflect short-wavelength light related to light emission and light reception. Examples of such materials include Al, Ag, and Rh.
The thickness of the reflective layer is preferably 10 nm or more, particularly preferably 50 nm or more. The upper limit of the thickness is not limited, but about 100 μm or less is preferable for a normal element.

一方、反射層として利用可能な金属材料の中には、結晶基板に対する密着性が良好でなく、メタライズ層材料として好ましくないものが存在する。このような材料に対しては、該反射層と結晶基板との間に密着性を高めるための金属薄膜(密着層)を介在させることが好ましい。
密着層の材料としては、Ti、Ni、Cr、Co、Ptが例示される。密着層の厚さは、反射すべき光が透過し得るよう0.1nm〜100nm、特に、1nm〜10nmが好ましい厚さである。
On the other hand, among the metal materials that can be used as the reflective layer, there are those that are not preferable as the metallized layer material because of poor adhesion to the crystal substrate. For such materials, it is preferable to interpose a metal thin film (adhesion layer) for enhancing adhesion between the reflective layer and the crystal substrate.
Examples of the material for the adhesion layer include Ti, Ni, Cr, Co, and Pt. The thickness of the adhesion layer is preferably 0.1 nm to 100 nm, and particularly preferably 1 nm to 10 nm so that the light to be reflected can be transmitted.

保護層の材料としては、Ti、Ni、Cr、Co、Ptが挙げられる。
また、保護層の厚さは、1nm〜1000nm、特に、10nm〜100nmが好ましい。
Examples of the material for the protective layer include Ti, Ni, Cr, Co, and Pt.
Further, the thickness of the protective layer is preferably 1 nm to 1000 nm, particularly preferably 10 nm to 100 nm.

以上の例では、金属積層体は2層または3層であるが、層数に限定はない。例えば、Auを含む共晶半田でダイボンドを行うときに、該共晶半田との密着性を向上させるためのAu層(例えば、図1の4c)やその他必要な機能層を任意に加えた4層、5層構造などであってもよい。   In the above example, the metal laminate has two or three layers, but the number of layers is not limited. For example, when die bonding is performed with a eutectic solder containing Au, an Au layer (for example, 4c in FIG. 1) for improving adhesion with the eutectic solder and other necessary functional layers are optionally added 4 It may be a five-layer structure.

本発明の好ましい態様の1つとして、図2に示すように、結晶基板の裏面に凹凸fを加工して凹凸面としておき、該凹凸面を上記金属積層体によってメタライズする態様が挙げられる。この凹凸にダイボンド材料が入り込むことによって、ダイシェア強度(チップと実装基板との接合強度)が向上する。メタライズ層(金属積層体)は、実際には、凹凸に比べて薄いため、図2では、図示を省略している。   As a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, there is an embodiment in which the uneven surface f is processed on the back surface of the crystal substrate to form an uneven surface, and the uneven surface is metallized by the metal laminate. When the die bond material enters the irregularities, the die shear strength (bonding strength between the chip and the mounting substrate) is improved. Since the metallized layer (metal laminate) is actually thinner than the unevenness, the illustration thereof is omitted in FIG.

凹凸面を見たときの凹凸の配置パターンは限定されず、ドット状の凹部が規則的にまたは不規則に配列されたパターン、溝状の凹部が平行に配列されたストライプ状パターンなどであってよい。凹凸の断面形状は、矩形波状、ノコギリ波状、サインカーブ状などであってよい。
凹凸の振幅(=凹部深さ)や、個々の凹部、凸部の寸法は限定されないが、メタライズ層を形成した後も、凹凸が残り、ダイボンド材料が充分に入り込む大きさであることが好ましい。例えば、断面形状を矩形波状とするストライプ状パターンで寸法例を挙げると、凹凸の振幅は1μm〜100μm程度、凹部幅、凸部幅は、それぞれ1μm〜100μm程度が好ましい寸法である。
凹凸の加工方法は特に限定されないが、ダイシングソー、エッチングなどによる加工方法が挙げられる。
The arrangement pattern of the irregularities when the irregular surface is viewed is not limited, and is a pattern in which dot-like concave portions are regularly or irregularly arranged, a stripe pattern in which groove-like concave portions are arranged in parallel, or the like. Good. The cross-sectional shape of the unevenness may be a rectangular wave shape, a sawtooth wave shape, a sine curve shape, or the like.
The amplitude of the unevenness (= recess depth) and the dimensions of the individual recesses and protrusions are not limited, but it is preferable that the unevenness remains even after the metallized layer is formed and the die-bonding material sufficiently enters. For example, taking a dimension example with a stripe pattern having a cross-sectional shape of a rectangular wave, the amplitude of the unevenness is preferably about 1 μm to 100 μm, and the width of the concave portion and the width of the convex portion are preferably about 1 μm to 100 μm, respectively.
Although the processing method of unevenness | corrugation is not specifically limited, The processing method by a dicing saw, an etching, etc. is mentioned.

結晶基板の裏面に金属積層体を形成する方法自体は公知技術を参照してよいが、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、めっき法などが好ましい方法として挙げられる。結晶基板の裏面と接触する層はスパッタリング法で形成すると密着性が向上するため好ましい。   For the method itself for forming the metal laminate on the back surface of the crystal substrate, a known technique may be referred to. For example, a vacuum deposition method, a sputtering method, a plating method and the like are preferable. A layer in contact with the back surface of the crystal substrate is preferably formed by a sputtering method because adhesion is improved.

実施例1
本実施例では、図3に示すように、GaN系受光素子(チップ段階)のサファイア基板の裏面に、基板側から順にAl層4a、Ti層4b、Au層4cからなる金属積層体4を形成することによって、サファイア基板の裏面をメタライズした。
Al層は反射層として作用し、Au層はAuSn共晶半田との密着性を向上させる層として作用する。Al層とAu層との間のTi層は、ダイボンド時に熱によりAlとAuの反応を防ぐ保護層としての役目を果たす。
このチップを、AuSn共晶半田をダイボンド材料として用いてステム台にダイボンディングし、キャンパッケージに封入し、受光装置(実施例品)を作製した。
Example 1
In this embodiment, as shown in FIG. 3, a metal laminate 4 including an Al layer 4a, a Ti layer 4b, and an Au layer 4c is formed on the back surface of the sapphire substrate of the GaN-based light receiving element (chip stage) in this order from the substrate side. By doing so, the back surface of the sapphire substrate was metallized.
The Al layer acts as a reflective layer, and the Au layer acts as a layer that improves adhesion with the AuSn eutectic solder. The Ti layer between the Al layer and the Au layer serves as a protective layer that prevents the reaction between Al and Au by heat during die bonding.
This chip was die-bonded to a stem base using AuSn eutectic solder as a die-bonding material, and sealed in a can package to produce a light receiving device (example product).

〔受光素子の構造〕
受光素子は、ショットキー型であって、図3に示すように、サファイア基板S1上に、順にn型GaNコンタクト層S2、i型GaN受光層S3をエピタキシャル成長させてなる積層構造となっている。n型GaNコンタクト層S2表面にはオーミック電極P2が形成され、i型GaN受光層S3表面には透明ショットキー電極P1が形成されている。当該受光素子2は、サファイア基板を下側にし通常姿勢の実装にて、ダイボンド材料3を介してステム台1上にマウントされている。
[Structure of light receiving element]
The light receiving element is a Schottky type and has a laminated structure in which an n-type GaN contact layer S2 and an i-type GaN light receiving layer S3 are epitaxially grown in order on a sapphire substrate S1, as shown in FIG. An ohmic electrode P2 is formed on the surface of the n-type GaN contact layer S2, and a transparent Schottky electrode P1 is formed on the surface of the i-type GaN light receiving layer S3. The light receiving element 2 is mounted on the stem base 1 via a die bond material 3 in a normal posture with the sapphire substrate facing down.

図3では、サファイア基板S1とn型GaNコンタクト層S2との間に、転位密度低減のためのAlN低温バッファ層を介在させているが、図示は省略している。
〔実施例品の製作〕
受光素子が半導体ウエハの段階で、サファイア基板裏面に対してスパッタリング法によって、Al層4a(厚さ230nm)/Ti層4b(厚さ20nm)/Au層4c(厚さ200nm)からなるメタライズ層4を形成した。
上記半導体ウエハを分断してチップを得、これをAuSn半田ペレットを介してTO−8ステム台上にマウントし、ステム台を加熱・冷却することで半田3を溶融・凝固させ、受光素子チップをステム台上にダイボンドした。
最後に、窒素雰囲気中において、図3に示すように、受光用ガラス窓付きキャップのキャンシールを行い、本発明の受光装置を得た。
In FIG. 3, an AlN low-temperature buffer layer for reducing the dislocation density is interposed between the sapphire substrate S1 and the n-type GaN contact layer S2, but the illustration is omitted.
[Production of Example Products]
At the stage where the light receiving element is a semiconductor wafer, the metallized layer 4 comprising the Al layer 4a (thickness 230 nm) / Ti layer 4b (thickness 20 nm) / Au layer 4c (thickness 200 nm) is formed on the back surface of the sapphire substrate by sputtering. Formed.
The semiconductor wafer is divided to obtain a chip, which is mounted on a TO-8 stem base via AuSn solder pellets, and the stem 3 is heated and cooled to melt and solidify the solder 3 to obtain a light receiving element chip. Die-bonded on the stem base.
Finally, in a nitrogen atmosphere, as shown in FIG. 3, the cap with a glass window for light reception was canned, and the light receiving device of the present invention was obtained.

比較例1
上記実施例1と同一仕様のチップを、従来通りAgペーストをダイボンド材料としてステム台にダイボンディングし、キャンパッケージに封入し、受光装置(比較例品)を作製し、実施例品との比較を行った。
〔比較例品の製作〕
サファイア基板の裏面にメタライズを施していない受光素子を、TO−8ステム台上にAgペースト介してマウントし、オーブンでAgペーストを焼き固める事で受光素子チップをステム台上にダイボンドした。
最後に、窒素雰囲気中において、受光用ガラス窓付きキャップのキャンシールを行い、比較例品としての受光装置を得た。
Comparative Example 1
A chip having the same specifications as in Example 1 above is die-bonded to a stem base using Ag paste as a die-bonding material as before, encapsulated in a can package, a light receiving device (comparative example product) is produced, and compared with the example product. went.
[Production of comparative example products]
A light receiving element that was not metallized on the back surface of the sapphire substrate was mounted on a TO-8 stem base via Ag paste, and the light paste was die-bonded on the stem base by baking the Ag paste in an oven.
Finally, in a nitrogen atmosphere, the cap with a glass window for light reception was canned, and a light receiving device as a comparative product was obtained.

〔評価〕
実施例品、比較例品に対し、ArFエキシマレーザ装置を用いて波長193nmのレーザ光を照射し、受光感度の経時変化を調べた。
実施例品には、素子寿命に起因する受光感度の低下は見られず、また、素子の受光面(素子内への光の入射面)や、キャンパッケージの受光窓の内面が汚染されることはなく、ダイボンディング材料に起因するような受光感度の低下は見られなかった。
これに対して、比較例品は、照射開始時点から180秒後には、素子の受光感度が初期値の50%にまで低下した。この受光装置を実験後に分解したところ、銀ペーストが黒く変色しており、該銀ペーストに含有されていた有機物が変質して素子の受光面やキャンパッケージの受光窓の内面を汚染し、素子内への光入射の障害となっていることがわかった。
[Evaluation]
The product of the example and the comparative example were irradiated with laser light having a wavelength of 193 nm using an ArF excimer laser device, and the change in light receiving sensitivity with time was examined.
In the product of the example, there is no decrease in light receiving sensitivity due to the lifetime of the element, and the light receiving surface of the element (light incident surface into the element) and the inner surface of the light receiving window of the can package are contaminated. There was no decrease in light receiving sensitivity caused by the die bonding material.
On the other hand, in the comparative product, the light receiving sensitivity of the element decreased to 50% of the initial value after 180 seconds from the start of irradiation. When this light-receiving device was disassembled after the experiment, the silver paste was discolored black, and the organic matter contained in the silver paste was altered to contaminate the light-receiving surface of the element and the inner surface of the light-receiving window of the can package. It has been found that this is an obstacle to the incidence of light.

実施例2
本実施例では、AuSn共晶半田をダイボンド材料として用い、GaN系LEDのチップをステム台にダイボンディングし、発光装置(実施例品)を作製した。また、実施例1と同様、実施例品にのみ、発光素子の結晶基板裏面に、該裏面から順にAl/Ti/Auによってメタライズを施した。
Example 2
In this example, AuSn eutectic solder was used as a die bond material, and a GaN-based LED chip was die-bonded to a stem base to produce a light emitting device (example product). Similarly to Example 1, only the example product was metallized on the back surface of the crystal substrate of the light-emitting element by Al / Ti / Au in order from the back surface.

〔発光素子チップの素子構造〕
用意したチップは、図1に示すように、サファイア基板S1上に、順にn型GaNコンタクト層S2、発光層(活性層)S3、p型AlGaNクラッド層S4、p型GaNコンタクト層S5をエピタキシャル成長させてなる積層構造となっている。n型GaNコンタクト層S2表面にはn型オーミック電極P2が、p型GaNコンタクト層S5表面にはp型オーミック電極P1が形成されている。発光素子2はサファイア基板S1を下側にしてダイボンド材料3を介してステム台1上にマウントされている。
素子の発光波長は405nmである。
[Element structure of light emitting element chip]
As shown in FIG. 1, the prepared chip is obtained by epitaxially growing an n-type GaN contact layer S2, a light emitting layer (active layer) S3, a p-type AlGaN cladding layer S4, and a p-type GaN contact layer S5 in this order on a sapphire substrate S1. It has a laminated structure. An n-type ohmic electrode P2 is formed on the surface of the n-type GaN contact layer S2, and a p-type ohmic electrode P1 is formed on the surface of the p-type GaN contact layer S5. The light emitting element 2 is mounted on the stem base 1 via the die bond material 3 with the sapphire substrate S1 facing downward.
The light emission wavelength of the element is 405 nm.

〔実施例品の製作〕
発光素子が半導体ウエハの段階で、サファイア基板裏面に対してスパッタリング法によって、順に、Al層4a(厚さ230nm)/Ti層4b(厚さ20nm)/Au層4c(厚さ200nm)からなるメタライズ層を形成した。Al層4aは密着層兼反射層として作用し、Ti層4bはAlとAuの反応を防止する保護層として作用し、Au層4cは半田の濡れ性を良くする層として作用する。
[Production of Example Products]
When the light-emitting element is a semiconductor wafer, metallization comprising an Al layer 4a (thickness 230 nm) / Ti layer 4b (thickness 20 nm) / Au layer 4c (thickness 200 nm) is sequentially performed on the back surface of the sapphire substrate by sputtering. A layer was formed. The Al layer 4a functions as an adhesion / reflection layer, the Ti layer 4b functions as a protective layer that prevents the reaction between Al and Au, and the Au layer 4c functions as a layer that improves solder wettability.

上記半導体ウエハを分断してGaN系LEDチップ2を得、これをAuSn半田ペレットを介してTO−18ステム台1上にマウントし、ステム台を加熱・冷却することで半田3を溶融・凝固させ、LEDチップ2をステム台1上にダイボンドし、本発明の発光装置を得た。   The semiconductor wafer is divided to obtain a GaN-based LED chip 2, which is mounted on the TO-18 stem base 1 through AuSn solder pellets, and the stem 3 is heated and cooled to melt and solidify the solder 3. The LED chip 2 was die-bonded on the stem base 1 to obtain the light emitting device of the present invention.

比較例2
実施例2においてメタライズ層をAl層(厚さ230nm)としたこと以外は、該実施例2と同様に発光装置を製作した。
Comparative Example 2
A light emitting device was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the metallized layer was an Al layer (thickness: 230 nm) in Example 2.

比較例3
実施例2においてメタライズ層を下地Cr(厚さ20nm)/表層Au(厚さ200nm)としたこと以外は、該実施例2と同様に発光装置を製作した。
Comparative Example 3
A light emitting device was manufactured in the same manner as in Example 2 except that the metallized layer was a base Cr (thickness 20 nm) / surface layer Au (thickness 200 nm) in Example 2.

〔評価〕
実施例2の製品、比較例2、3の製品を用いて、4000時間の連続点灯試験を行ったところ、実施例2の製品には、素子寿命に起因する発光強度の低下(1000時間で5%程度の低下)が見られたが、ダイボンド材料部分の変化は見られず、その部分での吸収や、素子表面の汚染はなく、ダイボンディングに起因するような発光強度の低下は見られなかった。
これに対して、比較例2の製品は、素子の発光強度の初期値が実施例品の60%であった。この発光装置を分解したところ、Alがボンディング材料である半田と合金化して変色しており、これが下方に発せられた光を吸収する層として、素子内からの光取出しの障害となっていることがわかった。
また、比較例3の製品は、素子の発光強度の初期値が実施例品の80%であった。その原因は、従来技術の説明において述べたとおり、Cr層が下方に発せられた光を吸収する層として、素子内からの光取出しの障害となっているためである。
[Evaluation]
When a continuous lighting test for 4000 hours was performed using the product of Example 2 and the products of Comparative Examples 2 and 3, the product of Example 2 had a decrease in light emission intensity due to the element lifetime (5 for 1000 hours). However, there was no change in the die bond material part, no absorption at that part, no contamination of the element surface, and no reduction in light emission intensity caused by die bonding. It was.
On the other hand, in the product of Comparative Example 2, the initial value of the light emission intensity of the device was 60% of the product of the example. When this light emitting device is disassembled, Al is alloyed with the bonding material solder and discolored, and this is an obstacle to light extraction from the element as a layer that absorbs light emitted downward. I understood.
In the product of Comparative Example 3, the initial value of the light emission intensity of the device was 80% of that of the Example product. The reason is that, as described in the description of the prior art, the Cr layer is a layer that absorbs light emitted downward, and is an obstacle to light extraction from the element.

実施例3
本実施例では、実施例2においてメタライズ層として形成した金属層を、サファイア基板裏面から順に、Ni層(厚さ3nm)/Ag層(厚さ200nm)/Ti層(厚さ20nm)/Au層(厚さ200nm)からなる4層構造としたこと以外は、該実施例2と同様に発光装置を製作した。
本実施例品と、実施例2で得られた実施例品とを比較したところ、実施例2による実施例品と同等の発光強度が得られた。
本実施例ではサファイア基板と接する金属に密着性の良いNiを用いている。Niの反射率は実施例2で用いたAlに比べると低いが、Ni層の厚みが3nmと光が透過するに十分薄い厚みであるため、Ni層を透過した光が反射率の良いAg層で反射され高い発光強度が得られたものと考えられる。
Example 3
In this example, the metal layer formed as the metallized layer in Example 2 was sequentially formed from the back surface of the sapphire substrate: Ni layer (thickness 3 nm) / Ag layer (thickness 200 nm) / Ti layer (thickness 20 nm) / Au layer A light-emitting device was manufactured in the same manner as in Example 2 except that a four-layer structure (thickness: 200 nm) was used.
When this example product was compared with the example product obtained in Example 2, the emission intensity equivalent to that of the Example product according to Example 2 was obtained.
In this embodiment, Ni having good adhesion is used for the metal in contact with the sapphire substrate. The reflectance of Ni is lower than that of Al used in Example 2, but the thickness of the Ni layer is 3 nm, which is sufficiently thin to transmit light, so that the light transmitted through the Ni layer is an Ag layer with good reflectance. It is considered that high luminescence intensity was obtained by reflection.

実施例4
本実施例では、実施例2で用いたLEDチップのサファイア基板裏面に、ダイシングソーを用いて幅10μm、深さ10μm、ピッチ10μmのストライプ状の凹凸加工を施したこと以外は、該実施例2と同様に発光装置を製作した。
本実施例品と、実施例2で得られた実施例品とを比較したところ、本実施例品のダイシェア強度(チップの接着強度)は750g以上であり、実施例2のダイシェア強度(500g)の1.5倍以上の強度であった。これは、凹凸部に半田材料が流れ込むことにより、接着強度が増したからであると考えられる。
Example 4
In this example, except that the back surface of the sapphire substrate of the LED chip used in Example 2 was subjected to a striped concavo-convex process having a width of 10 μm, a depth of 10 μm, and a pitch of 10 μm using a dicing saw. A light emitting device was manufactured in the same manner as described above.
When this example product was compared with the example product obtained in Example 2, the die shear strength (adhesion strength of the chip) of this example product was 750 g or more, and the die shear strength of Example 2 (500 g). The strength was 1.5 times or more. This is presumably because the adhesive strength was increased by the solder material flowing into the concavo-convex portion.

以上のように、本発明による半導体装置は、素子がGaN系半導体特有の短い波長の光(青色光〜紫外線)を発光・受光するものであっても、ボンディング材料が変質することがなく、また、低融点金属をボンディング材料として用いる際に見出したメタライズ層の問題点が解消され、反射性、密着性が改善されている。
本発明によって、受光素子では感度の劣化が改善され、発光素子では光の取り出し効率が改善され、いずれの場合も実装の信頼性が向上する。
As described above, the semiconductor device according to the present invention does not change the bonding material even if the element emits and receives light having a short wavelength (blue light to ultraviolet light) peculiar to GaN-based semiconductors. The problem of the metallized layer found when using a low melting point metal as a bonding material is solved, and the reflectivity and adhesion are improved.
According to the present invention, deterioration of sensitivity is improved in the light receiving element, light extraction efficiency is improved in the light emitting element, and in any case, mounting reliability is improved.

本発明のGaN系半導体装置の構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the GaN-type semiconductor device of this invention. 本発明のGaN系半導体装置において、結晶基板の裏面に凹凸を設ける態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect which provides an unevenness | corrugation in the back surface of a crystal substrate in the GaN-type semiconductor device of this invention. 本発明の実施例1において製作したGaN系半導体受光装置の構造を示す図である。ワイヤーボンディングの図示は省略している。It is a figure which shows the structure of the GaN-type semiconductor light-receiving device manufactured in Example 1 of this invention. Illustration of wire bonding is omitted. 従来のGaN系半導体装置の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional GaN-type semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

1 実装用基板
2 窒化物系半導体素子
3 ダイボンド材料
4 金属積層体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate for mounting 2 Nitride semiconductor element 3 Die bond material 4 Metal laminate

Claims (7)

窒化物系半導体素子が実装用基板にダイボンディングされてなる半導体装置であって、該半導体素子はその素子の結晶基板が実装用基板側となる姿勢にて金属材料をダイボンド材料として介在させることによってダイボンディングされており、
結晶基板の裏面は金属積層体によってメタライズされ、該金属積層体には、
(a)素子構造内で発せられた光または素子構造内を通過してきた受光対象光を、素子構造側へ反射するよう機能する反射層と、
(b)前記反射層とダイボンド材料層との間に介在して、前記反射層をダイボンド材料層から保護するよう機能する保護層とが、
少なくとも含まれていることを特徴とする、窒化物系半導体装置。
A semiconductor device in which a nitride-based semiconductor element is die-bonded to a mounting substrate, and the semiconductor element is formed by interposing a metal material as a die-bonding material so that the crystal substrate of the element is on the mounting substrate side. Die-bonded,
The back surface of the crystal substrate is metallized with a metal laminate,
(A) a reflective layer that functions to reflect light emitted within the element structure or light to be received that has passed through the element structure toward the element structure;
(B) a protective layer that is interposed between the reflective layer and the die bond material layer and functions to protect the reflective layer from the die bond material layer;
A nitride-based semiconductor device comprising at least the nitride-based semiconductor device.
金属材料が半田である、請求項1記載の窒化物系半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the metal material is solder. 半田が、AuとSnとを主成分とする合金、AuとSiとを主成分とする合金、またはAuとGeとを主成分とする合金である、請求項2記載の窒化物系半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the solder is an alloy mainly composed of Au and Sn, an alloy mainly composed of Au and Si, or an alloy mainly composed of Au and Ge. 金属積層体の反射層が、Al、Ag、およびRhから選ばれた1以上の金属材料からなる層である、請求項1記載の窒化物系半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the reflective layer of the metal laminate is a layer made of one or more metal materials selected from Al, Ag, and Rh. 金属積層体の保護層が、Ti、Ni、Cr、Co、およびPtから選ばれた1以上の金属材料からなる層である、請求項1記載の窒化物系半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the protective layer of the metal laminate is a layer made of one or more metal materials selected from Ti, Ni, Cr, Co, and Pt. 反射層と結晶基板との間に、これらの密着性を高めるための密着層がさらに介在している、請求項1記載の窒化物系半導体装置。   The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein an adhesion layer for enhancing the adhesion is further interposed between the reflective layer and the crystal substrate. 結晶基板の裏面が凹凸面として加工され、該凹凸面が上記金属積層体によってメタライズされている、請求項1記載の窒化物系半導体装置。
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the back surface of the crystal substrate is processed as an uneven surface, and the uneven surface is metallized by the metal laminate.
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