JP2001250983A

JP2001250983A - 発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2001250983A
Application number: JP2000058542A
Authority: JP
Inventors: Kiyohisa Ota; 清久太田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2001-09-14
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: JP4011257B2

Abstract

(57)【要約】【課題】安価なＳｎ−Ｐｂハンダによって配線基板に
接続し得る発光素子を提供する。【解決手段】ｐ型半導体１２、ｐ型半導体に接合する
ｎ型半導体１１、ｐ型半導体上に形成される正電極５
１、およびｎ型半導体上に形成される負電極５２を備え
る発光素子５０において、負電極５２および正電極５１
はそれぞれ、ｎ型半導体１１またはｐ型半導体１２上の
オーミックコンタクト層１３、１４、その上のＮｉから
なる厚さ１０００ｎｍ〜３０００ｎｍのメッキ層１５、
１６、およびその上のＡｕまたはＡｕ合金からなる厚さ
４０ｎｍ〜３００ｎｍのメッキ層１７、１８からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子およびそ
の製造方法、ならびに発光素子の実装構造に関し、特
に、Ｓｎ−Ｐｂハンダによって接続が可能な発光素子お
よびその製造方法、ならびにＳｎ−Ｐｂハンダによって
発光素子が接続された実装構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】接合されたｐ型半導体結晶およびｎ型半
導体結晶のそれぞれに正電極および負電極が付与された
構造を有する発光素子は、ハンダを介して電気配線基板
に実装することができる。そして、電極に対しハンダ付
可能な発光素子は、通常、Ｉｎ−Ｐｂハンダ（Ｉｎ：Ｐ
ｂ＝５０：５０〜２０：８０）を用いて配線に接続され
ている。Ｉｎ−Ｐｂハンダは、発光素子電極との反応性
が低く、電気的接続に使用しても発光素子の性能に影響
を与えないからである。

【０００３】一方、Ｓｎ−Ｐｂハンダは、従来、発光素
子の接続に用いられてこなかった。Ｓｎ−Ｐｂハンダ
は、発光素子電極との反応性が高く、ハンダ付けに際し
て電極をその中に溶解させ、電極構造を消失させてしま
うおそれがあったためである。しかしながら、従来使用
されてきたＩｎ−Ｐｂハンダは、Ｓｎ−Ｐｂハンダに比
べて高価であり、ハンダ付けのコストを押上げている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｓｎ
−Ｐｂハンダによって接続し得る発光素子およびその製
造方法を提供することである。

【０００５】本発明のさらなる目的は、ハンダ付けのコ
ストを引き下げることができる、発光素子およびその製
造方法、ならびに発光素子の実装構造を提供することで
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、発光素子の
電極を厚くすることで、Ｓｎ−Ｐｂハンダを接続に用い
ても電極構造を維持できることを見出した。ただし、発
光素子の電極形成に一般的に用いられているスパッタ法
や蒸着層では、そのような厚い電極の形成は困難であ
る。本発明者は、メッキによる電極形成法を採用するこ
とにより、この課題を解決し、本発明を完成させるに至
った。メッキでは、数１００ｎｍから数万ｎｍの厚みの
形成が可能であり、本発明では、１０００ｎｍ〜３００
０ｎｍのＮｉ層またはＮｉ合金層を電極の一部として形
成することで、Ｓｎ−Ｐｂハンダでも接続が可能な電極
構造を提供している。

【０００７】本発明により提供される発光素子は、ｐ型
半導体、ｐ型半導体に接合するｎ型半導体、ｐ型半導体
上に形成される正電極、およびｎ型半導体上に形成され
る負電極を備え、該正電極および該負電極がそれぞれ、
ｐ型半導体またはｎ型半導体にオーミック接触する第１
の金属層、第１の金属層上に形成され、ＮｉまたはＮｉ
合金からなりかつ１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを
有する第２の金属層、および第２の金属層上に形成さ
れ、ＡｕまたはＡｕ合金からなりかつ４０ｎｍ〜３００
ｎｍの厚みを有する第３の金属層からなることを特徴と
する。

【０００８】本発明による発光素子の正電極または負電
極において、第１の金属層と第２の金属層との間に、半
導体からの成分の拡散を防止するためのバリア金属層を
さらに形成してもよい。バリア金属層は、モリブデンお
よびタングステンよりなる群から選ばれた少なくとも１
つの金属からなることができる。本発明において、第１
の金属層は、Ａｕ合金からなることが好ましい。また本
発明において、正電極および負電極は、ｐ型半導体の表
面およびｎ型半導体の表面の一部にそれぞれ形成するこ
とができ、それにより、正電極および負電極がそれぞれ
形成されている半導体の面は、部分的に露出させること
ができる。

【０００９】本発明により提供される発光素子の実装構
造は、上記発光素子、および上記発光素子が装着される
電気配線基板を備え、上記発光素子は、電気配線基板に
Ｓｎ−Ｐｂ合金ハンダを介して電気的に接続されてい
る。この実装構造において、電気配線基板に対しｐｎ接
合面が略垂直になるよう、発光素子を横置きにして電気
配線基板に装着することができる。

【００１０】本発明により、ｐ型半導体、ｐ型半導体に
接合するｎ型半導体、ｐ型半導体上に形成される正電
極、およびｎ型半導体上に形成される負電極を備える発
光素子の製造方法が提供され、該製造方法は、接合され
たｎ型半導体およびｐ型半導体のそれぞれ上にオーミッ
ク接触する第１の金属層を形成する工程、第１の金属層
上に、ＮｉまたはＮｉ合金からなる第２の金属層をメッ
キにより形成する工程、および第２の金属層上に、Ａｕ
またはＡｕ合金からなる第３の金属層をメッキにより形
成する工程を備える。

【００１１】本発明による製造方法は、正電極または負
電極の第１の金属層上に半導体からの成分の拡散を防止
するためのバリア金属層を形成する工程をさらに備えて
もよく、この場合、第２の金属層は、バリア金属層に接
して形成される。本発明による製造方法において、メッ
キすべき面は、希釈したフッ化水素酸により処理するこ
とが好ましい。また本発明による製造方法において、第
１の金属層がＡｕ合金からなる場合、メッキの前に、第
１の金属層の表面をヨウ化アンモニウム水溶液により処
理することが好ましい。本発明の好ましい態様におい
て、メッキは電解メッキである。また、第３の金属層を
メッキにより形成する工程の後に熱処理を行わないこと
が好ましい。

【００１２】本発明による製造方法では、半導体ウェハ
上に上記工程に従って複数の前記発光素子を形成した
後、ダイシングにより半導体ウェハを切断して、電極面
が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ×０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの
サイズである発光素子を得ることができる。ダイシング
により得られる素子の側面は、平坦なものとすることが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明をより
詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明による
製造方法の一例を示している。図１（ａ）に示すよう
に、ｐｎ接合体１０において、ｎ型半導体１１上にオー
ミックメタル層１３が形成される。ｐｎ接合体は、通
常、ｎ型半導体基板上にｐ型半導体層が形成された構造
を有する。ｎ型半導体には、たとえばＧａＰ（ｎ型）が
使用され、ｐ型半導体には、たとえばＧａＰ（ｐ型）が
使用される。オーミックメタル層１３は、たとえばＡｕ
Ｓｉ層とＡｕ層との積層体とされる。オーミックメタル
層１３の厚みは、たとえば３００〜６００ｎｍの範囲で
あり、より具体的に４５０ｎｍ程度が好ましい。次い
で、図１（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層上にもオー
ミックメタル層１４を形成する。オーミックメタル層１
４は、たとえばＡｕＢｅ層であり、その厚みは、たとえ
ば１００〜４００ｎｍの範囲であり、より具体的に２０
０ｎｍ程度が好ましい。これらのオーミックメタル層
は、たとえばスパッタリング、蒸着等により形成され
る。次に、好ましくは、図２（ａ）に示すように、オー
ミックメタル層で被覆された半導体基板２０を、希釈さ
れたフッ化水素酸２１に接触させ、オーミックメタル層
の表面処理を行う。希フッ化水素酸におけるフッ化水素
濃度は、たとえば３〜２０％である。希フッ化水素酸に
よって表面の酸化膜を除去することができ、次工程で形
成されるメッキ層の密着性を高めることができる。ま
た、メッキの下地がＡｕ合金などのＡｕを含む層の場
合、好ましくは、図２（ｂ）に示すように、オーミック
メタル層で被覆された半導体基板２０を、ヨウ化アンモ
ニウム水溶液２２（たとえばヨウ化アンモニウム１重量
部に対し脱イオン水７重量部の溶液）に接触させ、オー
ミックメタル層の表面処理を行う。これにより、Ａｕを
含むオーミックメタル層がわずかにエッチングされ、表
面に凹凸ができるため、次工程で形成されるメッキ層の
密着性を高めることができる。好ましくは、図２（ａ）
および（ｂ）に示すように、希フッ化水素酸による処理
の後、ヨウ化アンモニウム水溶液による処理を行う。

【００１４】次いで、図１（ｃ）に示すように、メッキ
により、オーミックメタル層１３上にＮｉまたはＮｉ合
金からなるメッキ層１５を形成する。メッキ層１５の厚
みは、１０００〜３０００ｎｍであり、好ましくは２０
００ｎｍである。Ｎｉ合金には、Ｎｉ−Ａｕ合金等があ
る。メッキは、電解メッキおよび無電解メッキを含む
が、特に電解メッキ（電気メッキ）が好ましい。電解メ
ッキにおいて、たとえば、メッキ液は、スルファミン酸
ニッケルおよび硼酸を含有するものであり、メッキ温度
は、５０±１０℃である。さらに、図１（ｃ）に示すよ
うに、メッキ層１５上にＡｕまたはＡｕ合金からなるメ
ッキ層１６を形成する。メッキ層１６の厚みは、４０〜
３００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍである。メッ
キ層１６も電解メッキまたは無電解メッキによって形成
されるが、特に電解メッキが好ましい。電解メッキにお
いて、たとえば、メッキ液は、Ａｕを含有するものであ
り、メッキ温度は、６０±１０℃である。次いで、図１
（ｄ）に示すように、オーミックメタル層１４上にＮｉ
またはＮｉ合金からなるメッキ層１７を形成する。メッ
キ層１７の厚みは、１０００〜３０００ｎｍであり、好
ましくは２０００ｎｍである。メッキ層１７も好ましく
は電解メッキによりメッキ層１５と同様の条件で形成す
る。さらにメッキ層１７上にＡｕまたはＡｕ合金からな
るメッキ層１８を形成する。メッキ層１８の厚みは、４
０〜３００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍである。
メッキ層１８も好ましくは電解メッキによりメッキ層１
６と同様の条件で形成する。

【００１５】Ａｕを含むメッキ層１６または１８を形成
した後は、好ましくは熱処理を行わない。熱処理を行う
と、Ｎｉがその上のＡｕの表面まで拡散し、Ａｕ表面に
酸化膜を形成し得る。熱処理を行わないことによりＮｉ
の拡散を無くし、酸化膜の形成を防止する。

【００１６】上述したように、本発明においてＮｉを含
むメッキ層の厚みは１０００〜３０００ｎｍである。１
０００ｎｍ以上の厚いＮｉメッキ層で電極を構成するこ
とにより、Ｓｎ−Ｐｂ合金ハンダを接続に使用しても、
電極がハンダに食われきってしまうことがない。一方、
Ｎｉメッキ層の厚みが３０００ｎｍを超えると、当該メ
ッキ層からウェハにかかる応力が大きくなり、ウェハ割
れが発生しやすくなる。また、Ａｕを含むメッキ層の厚
みは４０〜３００ｎｍである。Ａｕメッキ層は、Ｎｉ表
面の酸化を防ぐために形成するもので、４０ｎｍ以上の
厚みであればその役割を十分に果たす。一方、Ａｕメッ
キ層の厚みが３００ｎｍを超えると、後に行われるダイ
シングでのブレードの目詰まりの原因となる。

【００１７】図１（ｅ）に示すように、メッキ層を形成
した基板を粘着シート１９に貼り付けてフルダイシング
を行う。粘着シート１９として、たとえばＵＣ１００Ｍ
（古河電工社製）を用いる。ダイシングのピッチは、得
られる素子のサイズが０．１〜０．３ｍｍ×０．１〜
０．３ｍｍとなるよう設定する。たとえばダイシングブ
レードとしてディスコ社製ＮＢＣ−ＺＢ２０５０（厚み
０．０２ｍｍ）を用いる場合、ダイシングの切りしろ
（ダイシング溝２０の幅）は約０．０３ｍｍとなるの
で、ダイシングピッチは０．１３〜０．３３ｍｍに設定
する。このようにして所望の発光素子が得られる。ダイ
シング加工を採用することで結晶材料のロスを少なくす
ることができ、方法も簡便になる。また、ダイシングに
よって得られる切断面は平坦であり、得られた素子を横
に倒した後、チップテスト時や配線基板へのチップ搭載
時に、切断面をコレットで吸着することができる。平坦
な切断面（側面）は、素子を横置きにしてプリント配線
基板上に安定に載置することを可能にする。

【００１８】図３（ａ）〜（ｆ）に本発明によるもう一
つの製造方法を示す。図３（ａ）および（ｂ）に示すよ
うに、ｐｎ接合体１０において、ｎ型半導体１１上にオ
ーミックメタル層１３、ｐ型半導体１２にオーミックメ
タル層１４をそれぞれ形成する。この方法が図１に示す
方法と異なる点は、図３（ｃ）に示すように、オーミッ
クメタル層１４上にバリアメタル層３１を形成すること
である。バリアメタル層３１は、たとえばＭｏまたはＷ
からなる。バリアメタル層３１の厚みは、たとえば２０
０〜４００ｎｍであり、好ましくは２５０〜３５０ｎｍ
である。バリアメタル層３１は、たとえば、Ｍｏにより
形成される。メッキの下地としてバリアメタルを形成す
ることによって、そのバリアメタルより下側にある元素
が上側（メッキすべき表面）に出でくることを防止でき
る。たとえば、ウェハ結晶としてＧａＡｓを用いる場
合、Ｇａは拡散によりオーミックメタルの表面に出やす
いが、その後、バリアメタルによって拡散は遮断され
る。なお、図１に示すようにバリアメタル層を形成せず
に素子構造を形成することによって、最小限の層構造で
ウェハ電極を形成することができ、ダイシングが簡便に
なる。バリアメタル層を形成した後、図１の方法と同様
に、図３（ｄ）〜（ｆ）に示すとおり、メッキ層１５、
１６、１７および１８を形成し、ダイシングを行って素
子を得る。

【００１９】図４は、発光素子のサイズを示している。
直方体である発光素子４０において、電極面４１のサイ
ズは、０．１〜０．３ｍｍ×０．１〜０．３ｍｍであ
る。また、厚みｔは、たとえば０．２８〜０．３ｍｍで
ある。

【００２０】図５に図１の方法により得られる素子の構
造を示す。発光素子５０において、ｐｎ接合を有する半
導体結晶５０の正電極５１として、ＡｕＢｅ合金からな
るオーミックコンタクト層１４、ＮｉまたはＮｉ合金か
らなるメッキ層１７およびＡｕまたはＡｕ合金からなる
メッキ層１８が設けられ、負電極５２としてＡｕＳｉ＋
Ａｕからなるオーミックコンタクト層１３、Ｎｉまたは
Ｎｉ合金からなるメッキ層１５およびＡｕまたはＡｕ合
金からなるメッキ層１６が設けられる。Ｎｉを含むメッ
キ層の厚みは１０００〜３０００ｎｍであり、Ａｕを含
むメッキ層の厚みは４０〜３００ｎｍである。

【００２１】図６に図３の方法により得られる素子の構
造を示す。発光素子６０において、ｐｎ接合を有する半
導体結晶６０の正電極６１として、ＡｕＢｅ合金からな
るオーミックコンタクト層１４、Ｍｏからなるバリアメ
タル層３１、ＮｉまたはＮｉ合金からなるメッキ層１７
およびＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層１８が設け
られ、負電極６２としてＡｕＳｉ＋Ａｕからなるオーミ
ックコンタクト層１３、ＮｉまたはＮｉ合金からなるメ
ッキ層１５およびＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層
１６が設けられる。Ｎｉを含むメッキ層の厚みは１００
０〜３０００ｎｍであり、Ａｕを含むメッキ層の厚みは
４０〜３００ｎｍである。

【００２２】図７に示すように、ｐｎ接合を有する半導
体結晶７０の面７１上に、電極７２を部分的に形成して
もよい。電極７２は、面７１の一部に形成され、面７１
の他の部分は電極に覆われることなく露出している。こ
のような部分的な電極の形成は、正極および負極のいず
れかまたは両方について行うことができる。電極が形成
される面について半導体結晶を露出させることにより、
露出部分からも発光が得られ、光出力を高めることがで
きる。

【００２３】図８に本発明による発光素子の実装構造の
一例を示す。発光素子８０の正電極８１および負電極８
２はそれぞれ、電気配線基板９０の配線パターン９１に
Ｓｎ−Ｐｂ合金ハンダ（たとえばＳｎ：Ｐｂ＝６０：４
０）９２を介して接続されている。発光素子８０は、ｐ
ｎ接合面８３が基板９０に垂直となるよう、横置きにさ
れている。発光素子８０の基板９０に接する側面８４
は、ダイシング時に形成された切削面である。側面８４
は平坦であるため、接続時に基板上に載置される素子８
０の安定性はよい。上記構造の電極は、Ｓｎ−Ｐｂハン
ダによって食われきってしまうことがないため、Ｓｎ−
Ｐｂハンダにより低コストで接続を行うことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上示してきたように、本発明による発
光素子はＳｎ−Ｐｂハンダにより電気配線基板に接続で
きるため、ハンダ付けのコストを従来より低いものにす
ることができる。本発明による発光素子の製造方法は、
メッキにより簡便に厚い電極層を形成でき、コストの抑
制に寄与し得る。本発明による発光素子は、主にチップ
部品型ＬＥＤとして有用であり、たとえば、携帯電話機
のボタン照明等に利用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による製造方法の一例を模式的に示す
断面図である。

【図２】本発明による製造方法においてウェハを希フ
ッ化水素酸およびヨウ化アンモニウム水溶液で処理する
工程を示す斜視図である。

【図３】本発明による製造方法のもう一つの例を模式
的に示す断面図である。

【図４】本発明により得られる発光素子のサイズを示
す斜視図である。

【図５】本発明による発光素子の一例を示す概略断面
図である。

【図６】本発明による発光素子のもう一つの例を示す
概略断面図である。

【図７】本発明により電極を部分的に設けた発光素子
の例を示す斜視図である。

【図８】本発明による発光素子の実装構造を示す概略
断面図である。

【符号の説明】

１０ｐｎ接合体、１１ｎ型半導体、１２ｐ型半導
体、１３，１４オーミックコンタクト層、１５，１
６，１７，１８メッキ層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型半導体、前記ｐ型半導体に接合する
ｎ型半導体、前記ｐ型半導体上に形成される正電極、お
よび前記ｎ型半導体上に形成される負電極を備える発光
素子において、前記正電極および前記負電極がそれぞれ、前記ｐ型半導
体または前記ｎ型半導体にオーミック接触する第１の金
属層、前記第１の金属層上に形成され、ＮｉまたはＮｉ
合金からなりかつ１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを
有する第２の金属層、および前記第２の金属層上に形成
され、ＡｕまたはＡｕ合金からなりかつ４０ｎｍ〜３０
０ｎｍの厚みを有する第３の金属層からなることを特徴
とする、発光素子。
【請求項２】前記正電極または前記負電極において、
前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に、前記半
導体からの成分の拡散を防止するためのバリア金属層が
さらに形成されていることを特徴とする、請求項１に記
載の発光素子。
【請求項３】前記バリア金属層が、モリブデンおよび
タングステンよりなる群から選ばれた少なくとも１つの
金属からなることを特徴とする、請求項２に記載の発光
素子。
【請求項４】前記第１の金属層がＡｕ合金からなるこ
とを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の
発光素子。
【請求項５】前記正電極および前記負電極は、前記ｐ
型半導体の表面および前記ｎ型半導体の表面の一部にそ
れぞれ形成されており、それにより、前記正電極および
前記負電極がそれぞれ形成されている半導体の面は、部
分的に露出していることを特徴とする、請求項１〜４の
いずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の発
光素子、および前記発光素子が装着される電気配線基板
を備え、前記発光素子が前記電気配線基板にＳｎ−Ｐｂ合金ハン
ダを介して電気的に接続されている、発光素子の実装構
造。
【請求項７】前記電気配線基板に対してｐｎ接合面が
略垂直になるよう、前記発光素子が横置きにして前記電
気配線基板に装着される、請求項６に記載の実装構造。
【請求項８】ｐ型半導体、前記ｐ型半導体に接合する
ｎ型半導体、前記ｐ型半導体上に形成される正電極、お
よび前記ｎ型半導体上に形成される負電極を備える発光
素子の製造方法であって、接合されたｎ型半導体およびｐ型半導体のそれぞれ上に
オーミック接触する第１の金属層を形成する工程、前記第１の金属層上に、ＮｉまたはＮｉ合金からなる第
２の金属層をメッキにより形成する工程、および前記第
２の金属層上に、ＡｕまたはＡｕ合金からなる第３の金
属層をメッキにより形成する工程を備えることを特徴と
する、発光素子の製造方法。
【請求項９】前記正電極または前記負電極の前記第１
の金属層上に前記半導体からの成分の拡散を防止するた
めのバリア金属層を形成する工程をさらに備え、前記第
２の金属層は、前記バリア金属層に接して形成されるこ
とを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】メッキすべき面を希釈したフッ化水素
酸により処理する工程をさらに備えることを特徴とす
る、請求項８または９に記載の製造方法。
【請求項１１】前記第１の金属層がＡｕ合金からな
り、前記メッキの前に、前記第１の金属層の表面をヨウ
化アンモニウム水溶液により処理する工程をさらに備え
ることを特徴する、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１２】前記メッキが電解メッキであることを
特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の製
造方法。
【請求項１３】第３の金属層をメッキにより形成する
工程の後に熱処理を行わないことを特徴とする、請求項
８〜１２のいずれか１項の記載の製造方法。
【請求項１４】半導体ウェハ上に前記工程に従って複
数の前記発光素子を形成した後、ダイシングにより前記
半導体ウェハを切断して、電極面が０．１ｍｍ〜０．３
ｍｍ×０．１ｍｍ〜０．３ｍｍのサイズである発光素子
を得ることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか１
項に記載の製造方法。