JP2004006498A - Iii族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【目的】バンプの形成が容易な半田を用いてフリップチップタイプの発光素子の電極をリード電極(外部電極)へ機械的にかつ電気的に安定して接続する。
【構成】発光素子の表面を被覆する絶縁層から露出する電極の部分の最上層を半田と合金を形成し易いNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金で形成する。
【選択図】 図3
【構成】発光素子の表面を被覆する絶縁層から露出する電極の部分の最上層を半田と合金を形成し易いNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金で形成する。
【選択図】 図3
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。詳しくは、フリップチップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
フリップチップタイプの発光素子は基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層してなる発光素子であり、その基板側が光放出面となる。
基板がサファイア等の絶縁性材料である場合、p電極及びn電極が同一面に形成され、これらの電極形成面側がマウント面となって支持体へマウントされる。このようなフリップチップタイプの発光素子は、例えば特開平5−13816号公報によれば、各電極上に半田バンプを形成し、この半田バンプを支持体のリード電極に半田付けすることにより支持体へマウントされると共に電気的な接続がなされる。
【0003】
他方、フリップチップタイプの電極には半導体層に対するオーミックコンタクトはもとより、発光する層からの光を効率良く反射させる機能が要求されている。そこで、昨今では電極として金合金が使用されている。かかる金合金製の電極をリード電極に対して電気的に且つ機械的に安定して接続するため、昨今では金製の接続材料が用いられている。例えば、図1に示すように、支持体には一対のリード電極板1、2が備えられ、そこに金ボールからなるスタッドバンプ3、4を形成し、このスタッドバンプ3、4に対して発光素子5のp電極及びn電極をそれぞれ位置合わせして両者を融着させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記スタッドバンプ3、4は、リード電極の所定の位置に所定量の金を滴下して形成するため、その形成方法が煩雑になり、製造原価を引き上げる一因となる。
そこで本発明者は、バンプの形成が容易な半田を用いてフリップチップタイプの発光素子の電極をリード電極(外部電極)へ機械的にかつ電気的に安定して接続する方策を検討してきた。
この発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次ぎの通りである。即ち、
フリップチップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、
電極を部分的に露出する絶縁層を有し、
前記電極において露出部分の最上層はNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金からなる、
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【0005】
このように構成されるIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、電極の露出部分に半田バンプが形成される。電極においてこの半田と接触する部分の最上層がNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金から形成されている。これらの金属は半田の主成分であるSnと容易に合金を形成する。したがって、発光素子の電極が半田を介して外部電極に対して機械的かつ電気的に安定して接続されることとなる。半田バンプはフロー法若しくはリフロー法等の周知の方法で容易に形成することができるので、金製のスタッドバンプを用いた従来例に比べてその製造が容易になり、ひいては安価な製品の提供が可能となる。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、基板の上に、発光する層を含むIII族窒化物系化合物半導体層が積層されたフリップチップタイプの発光素子である。フリップチップタイプの発光素子とは、フリップチップタイプの発光装置に用いられる発光素子を意味し、即ち、p電極及びn電極が形成される面側をマウント面として支持体(基板等)にマウントされて使用される発光素子である。換言すれば、本発明の発光素子を用いてフリップチップの発光装置を構成できる。本発明の発光素子では、発光した光は基板側、即ち電極形成面側と反対側より放射される。
【0007】
以下、本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の各要素について説明する。
(III族窒化物系化合物半導体)
III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及びGaxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部も リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を用いることができる。p型不純物として、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
基板とIII族窒化物系化合物半導体からなる結晶層の間にはバッファ層を設けることができる。バッファ層はその上に成長されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性を向上する目的で設けられる。バッファ層はAlN、InN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等のIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
【0008】
基板は、発光する層から放出された光を透過させることができ、かつその上にIII族窒化物系化合物半導体層を成長させることができるものであれよい。このような基板の材料として、サファイア、スピネル、炭化珪素、酸化亜鉛等を挙げることができる。特に、サファイア基板を用いることが好ましい。サファイア基板を用いる場合にはそのa面又はc面を利用することが好ましい。結晶性のよいIII族窒化物系化合物半導体層を成長させるためである。
【0009】
(p電極)
p型電極はp型半導体層に対してオーミックコンタクトをとることはもとより、フリップチップタイプの本発明においては高い反射率が要求される。したがって、p型半導体層に接合する部分(接合層)の材料として、Rh、Pt及びRuの中から選ばれる少なくとも1種の金属またはその合金を用いることが好ましい。中でもRhがより好ましい。
接合層はp型半導体層表面の可能な限り広い面積をカバーするように積層されることが好ましい。p型半導体層に対して均一の電流を注入し、発光する層からの光のより多くを反射させるためである。接合層の膜厚は50〜1000nmとすることが好ましい。
【0010】
この接合層はAuを含む層でその側面まで囲繞されることが好ましい。接合層は半導体層と接合する重要な層であり、コンタクト抵抗に変化をきたすことを防止したり、界面での反射率を安定に保つためである。
このような目的で接合層の全体を覆うためには、被覆材料は厚膜でなければならない。厚膜形成が容易にでき、かつ安定な材料であるAuを選択するのが望ましい。かかるAuを含む層の膜厚は100〜2000nmとすることが好ましい。
【0011】
上記Auを含む層と接合層との間には、第1の接着層を設けることが好ましい。この第1の接着層の形成材料として、Ti、V、W、Mo及びTaから選ばれる少なくとも1種又はその合金を用いることができる。第1の接着層の膜厚は5〜100nmとすることが好ましい。
【0012】
p電極の最上層において、少なくとも露出する領域はNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金から形成する。これらの金属は半田の主成分であるSnと容易に合金を形成するので、半田に対して機械的にかつ電気的に安定して接合することができる。この最上層の膜厚は50〜3000nmとすることが好ましい。
最上層とAuを含む層との間にはバリア層を形成することが好ましい。このバリア層は半田に含まれるBr等の腐食性成分が電極内に浸透することを防止する。バリア層の形成材料としてTi、W、Mo、V及びTaから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金を挙げることができる。バリア層の膜厚は30〜500nmとすることが好ましい。
【0013】
最上層の上に、後述の絶縁性保護膜との接着性を高める第2の接着層を設けることが好ましい。第2の接着層の形成材料として、Al、Ti、Cr、V、W、Moから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金を用いることができる。なかでも、Al若しくはその合金を用いることが好ましい。第2の接着層の膜厚は3〜100nmとすることが好ましい。
【0014】
(n電極)
n型半導体層に接合されるn電極材料としては、Al、V、Sn、Rh、Ti、Cr、Nb、Ta、Mo、W、Hfなどの金属またはこれらの任意の2種類以上の合金を用いることができる。中でも接合層として半導体層側からVとAlの2層構造とすることが好ましい。
n電極についても、p電極と同様に、その最上層において、少なくとも露出する領域はNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金から形成する。この最上層の膜厚も同じく50〜3000nmとすることが好ましい。
更に、p電極と同様に、第1の接着層、Auを含む層、バリア層及び第2の接着層を設けることが好ましい。
【0015】
p電極及びn電極は、それらの各接合層を除いて、第1の接着層、Auを含む層、バリア層及び第2の接着層を同一材料及び同一膜厚とすることが好ましい。各対応する層を同時に形成し、製造工程を簡略化するためである。
【0016】
これら電極を構成する各金属層は、蒸着法の他、MBE法やスパッタ法その他の方法で形成することができる。
【0017】
(絶縁層)
絶縁層は一部領域を除いて電極を被覆し、これを保護するとともに、電極間にリーク電流が流れることを防止する。電極において絶縁層で被覆されない部分、即ち電極の露出部分が半田と接合されることとなる。この絶縁層は電極ばかりでなく発光素子の表面の全域を被覆することもできる。
この絶縁層は電気的な絶縁性を有することはもとより、半田に対してぬれ性が小さい材料を用いる。フロー法やリフロー法等の周知の方法で絶縁層の開口部である電極露出部分へ選択的に半田バンプを形成するためである。
【0018】
絶縁膜は半田に対するぬれ性が悪いため一様に連続して形成されているとp電極上とn電極上に形成されるべき半田がつながり独立して形成されない場合がある。pn接合部近傍で分離することにより、表面エネルギーの異なる領域を設けることができp電極上、n電極上に独立して半田バンプを確実に形成することができる。
換言すれば、p電極を被覆する第1の絶縁層とn電極を被覆する第2の絶縁層とを設け、これら2つの絶縁層を分離することにより、p電極上の半田バンプとn電極上の半田バンプとのショートを確実に防止できる。
【0019】
かかる絶縁性の材料として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化チタンなどのセラミックス又はポリイミド等の合成樹脂を用いることができる。
絶縁層の膜厚は50〜3000nmとすることが好ましい。
セラミックス製の絶縁層はプラズマCVD、スパッタ、EB蒸着等の方法で形成することができる。合成樹脂製の絶縁層はスピンコート法、ディップ法その他の方法で形成することができる。
【0020】
絶縁膜から露出する電極の部分に半田バンプを形成する方法として、フロー法やリフロー法等の周知の方法を採用することができる。半田に対するぬれ性の悪い絶縁層を用いたときには、発光素子を半田浴へディップするのみで露出した電極部分に半田バンプを形成することができる。
また、外部電極側のスタッドバンプとして半田を用いることもできる。この場合においても、金製のスタッドバンプに比べて、半田製のバンプはその形成が容易なことはいうまでもない。
【0021】
【実施例】
次ぎに、この発明の実施例について説明する。
図2には実施例の発光素子10の模式断面図が示される。発光素子10の各層のスペックは次の通りである。
【0022】
基板11の上にはバッファ層12を介してn型不純物としてSiをドープしたGaNからなるn型層13を形成する。ここで、基板11にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、炭化シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ジルコニウムボライド、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlInGaN等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
【0023】
ここでn型層13はGaNで形成したが、AlGaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いることができる。
また、n型層13はn型不純物としてSiをドープしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、Te、C等を用いることもできる。
発光する層を含む層14は量子井戸構造(多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造)を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
発光する層を含む層14はp型層15の側にMg等をドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光する層を含む層14中に注入された電子がp型層15に拡散するのを効果的に防止するためである。
発光する層を含む層14の上にp型不純物としてMgをドープしたGaNからなるp型層15を形成する。このp型層はAlGaN、InGaN又はInAlGaNとすることもできる、また、p型不純物としてはZn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。p型不純物の導入後に、電子線照射、炉による加熱、プラズマ照射等の周知の方法により低抵抗化することも可能である。
上記構成の発光ダイオードにおいて、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCVDを実行して形成するか、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
【0024】
図3は電極構成の詳細であり、n電極16の接合層161はAlとVの2層で構成され、p型層15を形成した後、p型層15、発光する層を含む層14、及びn型層13の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりn型層13上に形成される。V層の膜厚は20nm、Al層の膜厚は1500nmである。
その後、p電極17においてRhからなる接合層171がp型層15の上に蒸着により形成される。この接合層171の膜厚は300nmである。
【0025】
続いて、周知の方法でアロイ化処理をした後にn型接合層161、p型接合層171をそれぞれ被覆するように、Auからなる第1層201、Ti層203、Niからなる最上層205をそれぞれ10nm、1500nm、300nmの膜厚に蒸着する。
その後、素子のほぼ全表面にプラズマCVD法でSiO2からなる絶縁層18を形成する。絶縁層18の膜厚は150nmとした。
【0026】
絶縁層18には各電極16、17の上面を露出させる開口部が形成されており、当該開口部へ次ぎのようにして半田バンプが形成される。発光素子の表面にフラックスを塗布した後、半田浴にディップする。素子表面を被覆する絶縁層18は半田とのぬれが悪いので、半田は当該絶縁層のない部分、即ち電極露出部分に集合し、そこでバンプを形成する。
【0027】
半田バンプ20、21を備えた発光素子は、図4に示すように、電極面を下側にして支持体30に固定され、支持体30がマウントリード40のカップ部43に固定される。
該発光素子10の組付け構造の詳細を図5に示した。支持体30は第1のリード電極31及び第2のリード電極32を有し、第1のリード電極31は導電性のペースト部材35を介してリードフレーム43へ電気的に接続される。第2のリード電極32はワイヤリード36を介してリードフレーム41へ電気的に接続されている。これらのリード電極31、32は半田の材料と合金を形成し易いCuで形成されている。その他、Au、Ni、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金でリード電極を形成することができる。
n電極16の半田バンプ20は第1のリード電極31へ当接し、p電極17の半田バンプ21は第2のリード電極32に当接する。この状態で加熱すると、半田バンプ21は電極16、17の各最上層205及びリード電極31、32と合金化される。これにより、n電極16と第1のリード電極31との間及びp電極と第2のリード電極32との間に強固な機械的結合と電気的結合が形成されたことになる。
このようにしてフリップチップタイプにマウントされた発光素子10及びリード部材40、41は、図4に示すように、砲弾型の封止部材45で覆われて発光装置(LED)50となる。
【0028】
発光素子10をSMDタイプのLED60に組み付けた例を図6に示す。なお、図5と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
このLED60は発光素子10、基板61、反射部材66,67を備えてなる。基板61には第1のリード電極63と第2のリード電極64が形成されている。各リード電極は図示しないマスター基板に対して配線されている。
この例においても、n電極16の半田バンプ20は第1のリード電極63へ当接し、p電極17の半田バンプ21は第2のリード電極64に当接する。この状態で加熱すると、半田バンプ21は電極16、17の各最上層205及びリード電極63、64と合金化される。これにより、n電極16と第1のリード電極63との間及びp電極と第2のリード電極64との間に強固な機械的結合と電気的結合が形成されたことになる。
SMDタイプのLEDにおいても発光素子10を封止材料で被覆することができる。
【0029】
図7には、他の実施例の発光素子の電極構成を示す。図3と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この発光素子も、図3に示すものと同様にして、図5及び図6に示すLEDに用いることができる。
この実施例では、各電極16、17の最上層205と絶縁層18との間にAlからなる第2の接着層207が介在されている。この第2の接着層207は蒸着により形成され膜厚10nmである。
【0030】
このようにAl層を介在させることにより、電極と絶縁層との密着性が向上する。更には、SiO2からなる絶縁層に電極露出用の開口部を設けるためのドライエッチング(プラズマエッチング)を施す際、電極の表面にドライエッチング耐性の強いAl層が存在すると、その下にある層に損傷が生じない。したがって、半田と電極最上層との間の好ましい接合を確保できることとなる。
そのためには、はじめはAl層で電極の全表面を被覆し、絶縁層に開口部が形成された後、当該開口部から露出する部分のAl層をウエットエッチングあるいはドライエッチング等により除去することが好ましい。
【0031】
図8には、他の実施例の発光素子の電極構成を示す。図3と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この発光素子も、図3に示すものと同様にして、図5及び図6に示すLEDに用いることができる。
この実施例では、接合層171、161とAu層201との間にTiからなる層209が介在されている。このTi層209は蒸着により形成され膜厚50nmである。
この層209により、半田に含まれるBr等の腐食性成分が電極内に侵入することを更に防止することできる。その結果、LEDの信頼性及び耐久性が向上する。
この実施例においても、図7の例と同様に、最上層と絶縁層との間に第2の接着層を介在させることができる。
【0032】
またこの実施例では、絶縁層がpn接合部(段差部)近傍で分離されている。絶縁層をp電極を被覆する部分18aとn電極を被覆する部分18bとに分離することにより、p電極上の半田バンプとn電極上の半田バンプとがつながることを確実に防止できる。
絶縁層の分離溝181を図3及び図7の例にも形成可能である。
【0033】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【0034】
以下、次ぎの事項を開示する。
10 請求項1〜6のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の前記電極の露出部分に半田バンプを形成し、
該半田バンプを外部電極に当接して半田付けを行う、
ことを特徴とする発光装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はフリップチップタイプの発光素子の従来のマウント法を示す図である。
【図2】図2はこの発明の実施例の発光素子の層構成を模式的に示した断面図である。
【図3】図3は実施例の発光素子の電極構成を示す部分拡大模式図である。
【図4】図4は実施例の発光素子をマウントした砲弾型LEDの構成を示す図である。
【図5】図5は発光素子のマウント状態を説明するための部分拡大図である。
【図6】図6は実施例の発光素子をマウントしたSMD型LEDの構成を示す図である。
【図7】図7は他の実施例の発光素子の電極構成を示す部分拡大模式図である。
【図8】図8は他の実施例の発光素子を示し、(A)は発光素子の電極構成を示す部分拡大模式図、(B)は同平面図である。
【符号の説明】
10 発光素子
16 n電極
17 p電極
18 絶縁層
205 最上層
207 第2の接着層
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。詳しくは、フリップチップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
フリップチップタイプの発光素子は基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層してなる発光素子であり、その基板側が光放出面となる。
基板がサファイア等の絶縁性材料である場合、p電極及びn電極が同一面に形成され、これらの電極形成面側がマウント面となって支持体へマウントされる。このようなフリップチップタイプの発光素子は、例えば特開平5−13816号公報によれば、各電極上に半田バンプを形成し、この半田バンプを支持体のリード電極に半田付けすることにより支持体へマウントされると共に電気的な接続がなされる。
【0003】
他方、フリップチップタイプの電極には半導体層に対するオーミックコンタクトはもとより、発光する層からの光を効率良く反射させる機能が要求されている。そこで、昨今では電極として金合金が使用されている。かかる金合金製の電極をリード電極に対して電気的に且つ機械的に安定して接続するため、昨今では金製の接続材料が用いられている。例えば、図1に示すように、支持体には一対のリード電極板1、2が備えられ、そこに金ボールからなるスタッドバンプ3、4を形成し、このスタッドバンプ3、4に対して発光素子5のp電極及びn電極をそれぞれ位置合わせして両者を融着させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記スタッドバンプ3、4は、リード電極の所定の位置に所定量の金を滴下して形成するため、その形成方法が煩雑になり、製造原価を引き上げる一因となる。
そこで本発明者は、バンプの形成が容易な半田を用いてフリップチップタイプの発光素子の電極をリード電極(外部電極)へ機械的にかつ電気的に安定して接続する方策を検討してきた。
この発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次ぎの通りである。即ち、
フリップチップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、
電極を部分的に露出する絶縁層を有し、
前記電極において露出部分の最上層はNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金からなる、
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【0005】
このように構成されるIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、電極の露出部分に半田バンプが形成される。電極においてこの半田と接触する部分の最上層がNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金から形成されている。これらの金属は半田の主成分であるSnと容易に合金を形成する。したがって、発光素子の電極が半田を介して外部電極に対して機械的かつ電気的に安定して接続されることとなる。半田バンプはフロー法若しくはリフロー法等の周知の方法で容易に形成することができるので、金製のスタッドバンプを用いた従来例に比べてその製造が容易になり、ひいては安価な製品の提供が可能となる。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、基板の上に、発光する層を含むIII族窒化物系化合物半導体層が積層されたフリップチップタイプの発光素子である。フリップチップタイプの発光素子とは、フリップチップタイプの発光装置に用いられる発光素子を意味し、即ち、p電極及びn電極が形成される面側をマウント面として支持体(基板等)にマウントされて使用される発光素子である。換言すれば、本発明の発光素子を用いてフリップチップの発光装置を構成できる。本発明の発光素子では、発光した光は基板側、即ち電極形成面側と反対側より放射される。
【0007】
以下、本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の各要素について説明する。
(III族窒化物系化合物半導体)
III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及びGaxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部も リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を用いることができる。p型不純物として、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
基板とIII族窒化物系化合物半導体からなる結晶層の間にはバッファ層を設けることができる。バッファ層はその上に成長されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性を向上する目的で設けられる。バッファ層はAlN、InN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等のIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
【0008】
基板は、発光する層から放出された光を透過させることができ、かつその上にIII族窒化物系化合物半導体層を成長させることができるものであれよい。このような基板の材料として、サファイア、スピネル、炭化珪素、酸化亜鉛等を挙げることができる。特に、サファイア基板を用いることが好ましい。サファイア基板を用いる場合にはそのa面又はc面を利用することが好ましい。結晶性のよいIII族窒化物系化合物半導体層を成長させるためである。
【0009】
(p電極)
p型電極はp型半導体層に対してオーミックコンタクトをとることはもとより、フリップチップタイプの本発明においては高い反射率が要求される。したがって、p型半導体層に接合する部分(接合層)の材料として、Rh、Pt及びRuの中から選ばれる少なくとも1種の金属またはその合金を用いることが好ましい。中でもRhがより好ましい。
接合層はp型半導体層表面の可能な限り広い面積をカバーするように積層されることが好ましい。p型半導体層に対して均一の電流を注入し、発光する層からの光のより多くを反射させるためである。接合層の膜厚は50〜1000nmとすることが好ましい。
【0010】
この接合層はAuを含む層でその側面まで囲繞されることが好ましい。接合層は半導体層と接合する重要な層であり、コンタクト抵抗に変化をきたすことを防止したり、界面での反射率を安定に保つためである。
このような目的で接合層の全体を覆うためには、被覆材料は厚膜でなければならない。厚膜形成が容易にでき、かつ安定な材料であるAuを選択するのが望ましい。かかるAuを含む層の膜厚は100〜2000nmとすることが好ましい。
【0011】
上記Auを含む層と接合層との間には、第1の接着層を設けることが好ましい。この第1の接着層の形成材料として、Ti、V、W、Mo及びTaから選ばれる少なくとも1種又はその合金を用いることができる。第1の接着層の膜厚は5〜100nmとすることが好ましい。
【0012】
p電極の最上層において、少なくとも露出する領域はNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金から形成する。これらの金属は半田の主成分であるSnと容易に合金を形成するので、半田に対して機械的にかつ電気的に安定して接合することができる。この最上層の膜厚は50〜3000nmとすることが好ましい。
最上層とAuを含む層との間にはバリア層を形成することが好ましい。このバリア層は半田に含まれるBr等の腐食性成分が電極内に浸透することを防止する。バリア層の形成材料としてTi、W、Mo、V及びTaから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金を挙げることができる。バリア層の膜厚は30〜500nmとすることが好ましい。
【0013】
最上層の上に、後述の絶縁性保護膜との接着性を高める第2の接着層を設けることが好ましい。第2の接着層の形成材料として、Al、Ti、Cr、V、W、Moから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金を用いることができる。なかでも、Al若しくはその合金を用いることが好ましい。第2の接着層の膜厚は3〜100nmとすることが好ましい。
【0014】
(n電極)
n型半導体層に接合されるn電極材料としては、Al、V、Sn、Rh、Ti、Cr、Nb、Ta、Mo、W、Hfなどの金属またはこれらの任意の2種類以上の合金を用いることができる。中でも接合層として半導体層側からVとAlの2層構造とすることが好ましい。
n電極についても、p電極と同様に、その最上層において、少なくとも露出する領域はNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金から形成する。この最上層の膜厚も同じく50〜3000nmとすることが好ましい。
更に、p電極と同様に、第1の接着層、Auを含む層、バリア層及び第2の接着層を設けることが好ましい。
【0015】
p電極及びn電極は、それらの各接合層を除いて、第1の接着層、Auを含む層、バリア層及び第2の接着層を同一材料及び同一膜厚とすることが好ましい。各対応する層を同時に形成し、製造工程を簡略化するためである。
【0016】
これら電極を構成する各金属層は、蒸着法の他、MBE法やスパッタ法その他の方法で形成することができる。
【0017】
(絶縁層)
絶縁層は一部領域を除いて電極を被覆し、これを保護するとともに、電極間にリーク電流が流れることを防止する。電極において絶縁層で被覆されない部分、即ち電極の露出部分が半田と接合されることとなる。この絶縁層は電極ばかりでなく発光素子の表面の全域を被覆することもできる。
この絶縁層は電気的な絶縁性を有することはもとより、半田に対してぬれ性が小さい材料を用いる。フロー法やリフロー法等の周知の方法で絶縁層の開口部である電極露出部分へ選択的に半田バンプを形成するためである。
【0018】
絶縁膜は半田に対するぬれ性が悪いため一様に連続して形成されているとp電極上とn電極上に形成されるべき半田がつながり独立して形成されない場合がある。pn接合部近傍で分離することにより、表面エネルギーの異なる領域を設けることができp電極上、n電極上に独立して半田バンプを確実に形成することができる。
換言すれば、p電極を被覆する第1の絶縁層とn電極を被覆する第2の絶縁層とを設け、これら2つの絶縁層を分離することにより、p電極上の半田バンプとn電極上の半田バンプとのショートを確実に防止できる。
【0019】
かかる絶縁性の材料として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化チタンなどのセラミックス又はポリイミド等の合成樹脂を用いることができる。
絶縁層の膜厚は50〜3000nmとすることが好ましい。
セラミックス製の絶縁層はプラズマCVD、スパッタ、EB蒸着等の方法で形成することができる。合成樹脂製の絶縁層はスピンコート法、ディップ法その他の方法で形成することができる。
【0020】
絶縁膜から露出する電極の部分に半田バンプを形成する方法として、フロー法やリフロー法等の周知の方法を採用することができる。半田に対するぬれ性の悪い絶縁層を用いたときには、発光素子を半田浴へディップするのみで露出した電極部分に半田バンプを形成することができる。
また、外部電極側のスタッドバンプとして半田を用いることもできる。この場合においても、金製のスタッドバンプに比べて、半田製のバンプはその形成が容易なことはいうまでもない。
【0021】
【実施例】
次ぎに、この発明の実施例について説明する。
図2には実施例の発光素子10の模式断面図が示される。発光素子10の各層のスペックは次の通りである。
【0022】
基板11の上にはバッファ層12を介してn型不純物としてSiをドープしたGaNからなるn型層13を形成する。ここで、基板11にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、炭化シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ジルコニウムボライド、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlInGaN等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
【0023】
ここでn型層13はGaNで形成したが、AlGaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いることができる。
また、n型層13はn型不純物としてSiをドープしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、Te、C等を用いることもできる。
発光する層を含む層14は量子井戸構造(多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造)を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
発光する層を含む層14はp型層15の側にMg等をドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光する層を含む層14中に注入された電子がp型層15に拡散するのを効果的に防止するためである。
発光する層を含む層14の上にp型不純物としてMgをドープしたGaNからなるp型層15を形成する。このp型層はAlGaN、InGaN又はInAlGaNとすることもできる、また、p型不純物としてはZn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。p型不純物の導入後に、電子線照射、炉による加熱、プラズマ照射等の周知の方法により低抵抗化することも可能である。
上記構成の発光ダイオードにおいて、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCVDを実行して形成するか、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
【0024】
図3は電極構成の詳細であり、n電極16の接合層161はAlとVの2層で構成され、p型層15を形成した後、p型層15、発光する層を含む層14、及びn型層13の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりn型層13上に形成される。V層の膜厚は20nm、Al層の膜厚は1500nmである。
その後、p電極17においてRhからなる接合層171がp型層15の上に蒸着により形成される。この接合層171の膜厚は300nmである。
【0025】
続いて、周知の方法でアロイ化処理をした後にn型接合層161、p型接合層171をそれぞれ被覆するように、Auからなる第1層201、Ti層203、Niからなる最上層205をそれぞれ10nm、1500nm、300nmの膜厚に蒸着する。
その後、素子のほぼ全表面にプラズマCVD法でSiO2からなる絶縁層18を形成する。絶縁層18の膜厚は150nmとした。
【0026】
絶縁層18には各電極16、17の上面を露出させる開口部が形成されており、当該開口部へ次ぎのようにして半田バンプが形成される。発光素子の表面にフラックスを塗布した後、半田浴にディップする。素子表面を被覆する絶縁層18は半田とのぬれが悪いので、半田は当該絶縁層のない部分、即ち電極露出部分に集合し、そこでバンプを形成する。
【0027】
半田バンプ20、21を備えた発光素子は、図4に示すように、電極面を下側にして支持体30に固定され、支持体30がマウントリード40のカップ部43に固定される。
該発光素子10の組付け構造の詳細を図5に示した。支持体30は第1のリード電極31及び第2のリード電極32を有し、第1のリード電極31は導電性のペースト部材35を介してリードフレーム43へ電気的に接続される。第2のリード電極32はワイヤリード36を介してリードフレーム41へ電気的に接続されている。これらのリード電極31、32は半田の材料と合金を形成し易いCuで形成されている。その他、Au、Ni、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金でリード電極を形成することができる。
n電極16の半田バンプ20は第1のリード電極31へ当接し、p電極17の半田バンプ21は第2のリード電極32に当接する。この状態で加熱すると、半田バンプ21は電極16、17の各最上層205及びリード電極31、32と合金化される。これにより、n電極16と第1のリード電極31との間及びp電極と第2のリード電極32との間に強固な機械的結合と電気的結合が形成されたことになる。
このようにしてフリップチップタイプにマウントされた発光素子10及びリード部材40、41は、図4に示すように、砲弾型の封止部材45で覆われて発光装置(LED)50となる。
【0028】
発光素子10をSMDタイプのLED60に組み付けた例を図6に示す。なお、図5と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
このLED60は発光素子10、基板61、反射部材66,67を備えてなる。基板61には第1のリード電極63と第2のリード電極64が形成されている。各リード電極は図示しないマスター基板に対して配線されている。
この例においても、n電極16の半田バンプ20は第1のリード電極63へ当接し、p電極17の半田バンプ21は第2のリード電極64に当接する。この状態で加熱すると、半田バンプ21は電極16、17の各最上層205及びリード電極63、64と合金化される。これにより、n電極16と第1のリード電極63との間及びp電極と第2のリード電極64との間に強固な機械的結合と電気的結合が形成されたことになる。
SMDタイプのLEDにおいても発光素子10を封止材料で被覆することができる。
【0029】
図7には、他の実施例の発光素子の電極構成を示す。図3と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この発光素子も、図3に示すものと同様にして、図5及び図6に示すLEDに用いることができる。
この実施例では、各電極16、17の最上層205と絶縁層18との間にAlからなる第2の接着層207が介在されている。この第2の接着層207は蒸着により形成され膜厚10nmである。
【0030】
このようにAl層を介在させることにより、電極と絶縁層との密着性が向上する。更には、SiO2からなる絶縁層に電極露出用の開口部を設けるためのドライエッチング(プラズマエッチング)を施す際、電極の表面にドライエッチング耐性の強いAl層が存在すると、その下にある層に損傷が生じない。したがって、半田と電極最上層との間の好ましい接合を確保できることとなる。
そのためには、はじめはAl層で電極の全表面を被覆し、絶縁層に開口部が形成された後、当該開口部から露出する部分のAl層をウエットエッチングあるいはドライエッチング等により除去することが好ましい。
【0031】
図8には、他の実施例の発光素子の電極構成を示す。図3と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この発光素子も、図3に示すものと同様にして、図5及び図6に示すLEDに用いることができる。
この実施例では、接合層171、161とAu層201との間にTiからなる層209が介在されている。このTi層209は蒸着により形成され膜厚50nmである。
この層209により、半田に含まれるBr等の腐食性成分が電極内に侵入することを更に防止することできる。その結果、LEDの信頼性及び耐久性が向上する。
この実施例においても、図7の例と同様に、最上層と絶縁層との間に第2の接着層を介在させることができる。
【0032】
またこの実施例では、絶縁層がpn接合部(段差部)近傍で分離されている。絶縁層をp電極を被覆する部分18aとn電極を被覆する部分18bとに分離することにより、p電極上の半田バンプとn電極上の半田バンプとがつながることを確実に防止できる。
絶縁層の分離溝181を図3及び図7の例にも形成可能である。
【0033】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【0034】
以下、次ぎの事項を開示する。
10 請求項1〜6のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の前記電極の露出部分に半田バンプを形成し、
該半田バンプを外部電極に当接して半田付けを行う、
ことを特徴とする発光装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はフリップチップタイプの発光素子の従来のマウント法を示す図である。
【図2】図2はこの発明の実施例の発光素子の層構成を模式的に示した断面図である。
【図3】図3は実施例の発光素子の電極構成を示す部分拡大模式図である。
【図4】図4は実施例の発光素子をマウントした砲弾型LEDの構成を示す図である。
【図5】図5は発光素子のマウント状態を説明するための部分拡大図である。
【図6】図6は実施例の発光素子をマウントしたSMD型LEDの構成を示す図である。
【図7】図7は他の実施例の発光素子の電極構成を示す部分拡大模式図である。
【図8】図8は他の実施例の発光素子を示し、(A)は発光素子の電極構成を示す部分拡大模式図、(B)は同平面図である。
【符号の説明】
10 発光素子
16 n電極
17 p電極
18 絶縁層
205 最上層
207 第2の接着層
Claims (9)
- フリップチップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、
電極を部分的に露出する絶縁層を有し、
前記電極において露出部分の最上層はNi、Cu、Ag、Fe及びMoから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金からなる、
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 半田に含まれる腐食成分が前記電極内に浸透することを防止するバリア層が前記最上層の下に形成される、ことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記バリア層はTi、W、Mo、V若しくはTaから選ばれる少なくとも1種の金属又はその合金からなる、ことを特徴とする請求項2に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記バリア層の下にAuを含む層が形成され、該Auを含む層は半導体層と電気的に接合する接合層を囲繞する、ことを特徴とする請求項2又は3に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記接合層はRhからなり、p型半導体層に接合する、ことを特徴とする請求項4に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記接合層はAlとVとの合金からなり、n型半導体層に接合する、ことを特徴とする請求項4に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記電極の最上層と前記絶縁層との間に接着層が介在されている、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 請求項1〜7のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子と、
外部電極とを備え、
前記発光素子の電極の露出部分が半田を介して前記外部電極へ接続される、
ことを特徴とする発光装置。 - 基板上にn型層、p型層が積層され、前記基板の同一面側にn電極とp電極を有し、前記n電極と前記p電極の一部を除き、絶縁性膜で覆われているIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、前記絶縁性の膜がpn接合部近傍で分離されている、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
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