JP2004153110A

JP2004153110A - 窒化物系光学素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004153110A
Application number: JP2002318015A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Sakamoto; 貴彦坂本
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP4341228B2

Abstract

【課題】均一な発光特性を維持しながら金属バンプと、電極と窒化物半導体層との密着性を向上させるとともに、金属バンプを効率良く作製することにより、生産性及び発光特性に優れた窒化物半導体光学素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】基板上に積層されたｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層上に概ね全面に拡がる正電極と、ｐ型窒化物半導体層を除去して露出させたｎ型窒化物半導体層上に形成された負電極と、を有するフリップチップ型の窒化物半導体光学素子である。正電極及び負電極の少なくとも一方を２層以上の金属層で構成し、窒化物半導体層に接する第１の金属層及び金属バンプに接する第２の金属層に、金属バンプを構成する金属より延性の大きい金属を用いる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子や、光センサ、太陽電池等の受光素子に使用される窒化物半導体を用いた光学素子に関し、さらに詳しくは、フリップチップ型の窒化物半導体光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、青色発光等の短波長発光が可能な窒化物半導体を用いた光学素子が注目され、高輝度な青色ＬＥＤや青緑色ＬＥＤがディスプレイ、信号灯等に実用化されている。窒化物半導体光学素子を実装基板に実装するには、例えば、光学素子の半導体層を下側にし、光学素子の正電極及び負電極を実装基板上の配線用電極に対向させて接続するフリップチップ型実装方法が用いられている。
【０００３】
フリップチップ型実装方法に用いる光学素子は、基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層と、そのｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層にそれぞれ接続され基板上の同一平面側に形成された正極及び負極と、を有しており、実装基板への実装は、ｐ型窒化物半導体層及びｎ型窒化物半導体層を下側にし、正電極及び負電極を実装基板上の配線用電極に対向させ、金属バンプを介して配線用電極に押圧接触させて接続することにより行うことができる。
【０００４】
ここで、金属バンプを形成するには、金属ワイヤの先端部を溶融させてボール状とし、そのボールを正電極及び負電極に圧着する方法や、金属バンプとの密着性を確保するため厚膜の正電極を用いる方法や、薄膜の正電極の上に厚膜のパッド電極を設ける方法が考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１８３４００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の金属ワイヤの先端部を溶融させてボールにする方法は、ボールを電極毎に圧着させる必要があり、また電極の位置決めに時間を要するため、金属バンプの作製に長時間を要するという問題がある。一方、同時に多数の金属バンプを形成することができる方法として、電解メッキ法がある。しかし、電解メッキ法ではメッキ電流を流すための通電用電極を設ける必要があり、絶縁性基板を用いている光学素子に適用するのは困難である。
【０００７】
また、金属バンプとの密着性を向上させるために厚膜の正電極を用いると、正電極のシート抵抗が低下し、発光強度の分布が均一でなくなるという問題も生じる。この原因としては、ｎ型窒化物半導体層のシート抵抗が正電極のシート抵抗に比べ大きいことが理由として考えられる。すなわち、正電極のシート抵抗を小さくしても、ｎ型半導体層のシート抵抗がそれに比べて大きければ、電流は抵抗の小さい負電極の周辺を流れ易くなり、負電極の周辺で明るく、そこから離れるにつれて暗くなると考えられる。また、パッド電極を設ける場合においても、パッド電極をボンディングを容易にするため厚膜にする必要があり、同様な問題が考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、均一な発光特性を維持しながら金属バンプと、電極及び窒化物半導体層との密着性を向上させるとともに、金属バンプを効率良く作製することにより、生産性及び発光特性に優れた窒化物半導体光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本出願人は、低コストでの生産が可能であり、かつ高い生産性を期待できる無電解メッキ法を用いて金属バンプを作製することを鋭意検討し、その結果、無電解メッキで形成した金属バンプとの密着性に優れた窒化物半導体光学素子を見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の窒化物半導体光学素子は、基板上に積層されたｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層と、該ｎ型及びｐ型窒化物半導体層のそれぞれに接続され同一面側に形成されてなる正電極及び負電極とを有し、該正電極及び負電極を金属バンプを介して実装基板に接続するフリップチップ型の窒化物半導体光学素子であって、上記正電極及び負電極の少なくとも一方が２層以上の金属層からなり、該２層以上の金属層は、窒化物半導体層に接する第１の金属層と、金属バンプに接する第２の金属層とからなり、該第１及び第２の金属層が金属バンプを構成する金属より延性の大きい金属から成ることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、金属バンプを作製するに際し、少なくとも正電極のｐ型窒化物半導体層に接する第１の金属層及び金属バンプに接する第２の金属層を、金属バンプを構成する金属より延性の大きい金属で構成することにより、金属バンプの応力が緩和され、金属バンプが正電極から、又は金属バンプに接合した正電極がｐ型窒化物半導体層から剥離するのを防止し、密着性を高めることができる。これにより、正電極を厚くする必要がないので、正電極のシート抵抗とｎ型窒化物半導体層のシート抵抗との差が大きくならず、発光強度の均一性を維持することが可能となる。ここで、延性が大きい金属とは破断までに生じた塑性変形が大きい金属をいい、例えば、ＪＩＳＺ２２４１で規定する破断伸びが、金属バンプを構成する金属よりも大きい金属をいう。
【００１１】
本発明においては、金属バンプを構成する金属に、Ｎｉ又はＣｕを用いることができる。その場合、第１の金属層は少なくとも、Ｒｈ、Ｐｄ、及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を有することが好ましい。また、第２の金属層は少なくとも、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の窒化物半導体光学素子は、負電極を２層以上の金属層で構成し、金属バンプに接する第２の金属層は少なくとも、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を有することが好ましい。
【００１３】
また、金属バンプには、無電解メッキで形成したメッキバンプを用いることができる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体光学素子は、例えば、以下の方法により作製することができる。すなわち、本発明の窒化物半導体光学素子の製造方法は、基板上に積層されたｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層と、該ｎ型及びｐ型窒化物半導体層のそれぞれに接続され同一面側に形成されてなる正電極及び負電極とを有し、該正電極及び負電極を金属バンプを介して実装基板に接続するフリップチップ型の窒化物半導体光学素子の製造方法であって、上記正電極及び負電極の少なくとも一方を２層以上の金属層で形成し、ここで少なくとも電極の窒化物半導体層に接する第１の金属層と金属バンプに接する第２の金属層とを金属バンプより延性の大きい金属で形成し、該第２の金属層に接して無電解メッキにより金属バンプを形成することを特徴とする。
【００１５】
また、電極を形成した後、非酸化雰囲気で４００℃以上の温度でアニールすることが好ましい。ここで、非酸化雰囲気とは実質的に酸素を含まない雰囲気をいう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体光学素子（以下、光学素子と略す。）の構造の一例を示す模式断面図である。図１の光学素子１は、基板２の上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層３とｐ型窒化物半導体層４と、一端が露出したｎ型窒化物半導体層３の上面に形成された負電極６と、ｐ型窒化物半導体層４の上面のほぼ全面に形成され、その上面の一部にボンディング面を有する正電極５と、絶縁性保護膜７とからなっている。絶縁性保護膜７は、ボンディング面以外の正電極５の上面と、ボンディング面以外の負電極６の上面と、ｎ型窒化物半導体層３の周囲に露出した基板２の上面とに渡って連続して形成され、正電極５と負電極６とを分離絶縁している。さらに、正電極５と負電極６のぞれぞれのボンディング面には、無電解メッキによりメッキバンプ８，９が形成されている。また、正電極５は、メッキバンプに接する第２の金属層である最上層の金属層５ａと、ｐ型窒化物半導体層４に接する第１の金属層である最下層の金属層５ｃと、最上層と最下層の金属層の間の第３の金属層である中間層５ｂと、から構成されている。また、負電極６は、メッキバンプに接する第２の金属層である最上層の金属層６ａと、ｎ型窒化物半導体層３に接する第１の金属層である最下層の金属６ｃと、から構成されている。
【００１７】
メッキバンプを構成する金属には、無電解メッキが可能で導電性の高いＮｉ又はＣｕを用いることできる。無電解メッキによれば、Ｎｉは析出速度が大きく短時間でメッキバンプを形成することができ、また低コストであるので好ましい。メッキバンプの厚さは、１〜１５０μｍ、より好ましくは１〜５０μｍである。また、メッキバンプを無電解Ｎｉメッキ上に無電解Ａｕメッキを設けた２層構造にすることもできる。例えば、無電解Ｎｉを１〜１５０μｍの高さに形成し、その無電解Ｎｉメッキ上に無電解Ａｕメッキを５０００Å以下の高さで形成すると、配線基板とのボンディング性が良好となり好ましい。
【００１８】
メッキバンプは、例えば、以下の方法により形成することができる。すなわち、絶縁性保護膜を用いて正電極と負電極を分離絶縁した後、光学素子の全面にレジスト層を形成する。次に、正電極及び負電極のボンディング面を露出させるように所定のマスクを用いてレジスト層を露光し、ボンディング面上のレジスト層を除去することにより、ボンディング面を露出させる。次に、光学素子が形成されているウェハを酸溶液を用いて洗浄後、所定のメッキ金属を含む所定温度の無電解メッキ浴の中に、ウェハを所定時間浸漬してボンディング面上にメッキバンプを成長させる。メッキバンプの厚さは、浸漬時間、メッキ浴のｐＨや温度、そして浸漬回数等を変化させることにより調整することができる。ここで、メッキ浴には公知のメッキ浴を使用することができ、例えば、Ｎｉメッキには、Ｎｉ−Ｐ系やＮｉ−Ｂ系を用いることができるが、析出速度が速く、高い硬度が得られ低コストであるＮｉ−Ｐ系のメッキ浴が好ましい。
【００１９】
なお、正電極及び負電極を形成した後、無電解メッキを行う前、非酸化雰囲気、好ましくは窒ガス又はアルゴンガスの存在下、４００℃以上、好ましくは、４００℃以上６００℃以下で光学素子をアニール処理することが好ましい。最上層の金属の酸化を防ぐことができ、メッキバンプとの密着性を向上させることができるからである。
【００２０】
正電極を構成する金属は、上記のメッキバンプを構成する金属よりも延性の大きい金属を用いる必要がある。最下層の金属層を構成する金属には少なくとも、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を用いることが好ましい。いずれも、ｐ型窒化物半導体層とのオーミック接触が可能であり、さらに、発光層から光に対する反射率が高いからである。特にＲｈはｐ型窒化物半導体層との密着性が良好であり好ましい。最下層の金属層の厚さは、２００〜１０００Å、より好ましくは２００〜８００Åである。２００Åより小さいと密着性が不十分であり、１０００Åより大きいとｎ型窒化物半導体層のシート抵抗よりも小さくなるからである。
【００２１】
また、正電極の最上層の金属層を構成する金属には少なくとも、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を用いることが好ましい。最上層の厚さは、５０〜３０００Å、より好ましくは１００〜１０００Åである。特に、メッキバンプにＮｉを用いる場合には、Ｐｄを用いることが好ましい。Ｐｄ層がシード層となり、無電解Ｎｉメッキを行う場合に、活性化処理が不要となるからである。
【００２２】
また、正電極の中間層は、最上層及び最下層の金属層のそれぞれとの間に良好な密着性を確保して、メッキバンプと正電極及びｐ型窒化物半導体層との間の密着性を確保する働きを有する。中間層の金属層を構成する金属には少なくとも、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ及びＰｄから選択される少なくとも１種の金属を用いることができるが、Ｉｒが好ましい。また、中間層の厚さは、２００〜１０００Å、より好ましくは２００〜５００Åである。なお、最上層と最下層との組合せによっては、中間層は省略することもできる。
【００２３】
ここで、正電極の最下層を構成する金属の延性が最上層を構成する金属の延性よりも大きいことが好ましい。ｐ型窒化物半導体層との密着性を一層高めることができるからである。例えば、メッキバンプを構成する金属にＮｉを用いた場合、最上層／中間層／最下層が、Ｐｄ／Ｉｒ／Ｒｈ、Ｐｄ／Ｒｈ、Ｐｔ／Ｉｒ／Ｒｈ、Ａｕ／Ｉｒ／Ｒｈ、Ｐｔ／Ｒｈ／Ａｕ／Ｒｈの組合せを挙げることができる。特に、Ｐｄ／Ｉｒ／Ｒｈの組合せが好ましい。
【００２４】
また、正電極を構成する金属層の総膜厚は、２００〜５０００Å、より好ましくは、２００〜１０００Åである。５０００Åよりも大きいとシート抵抗が小さくなりｎ型窒化物半導体層のシート抵抗との差が大きくなりすぎるからである。また、２００Åよりも小さいとメッキバンプとの密着性が不十分になるからである。
【００２５】
負電極も２層以上の金属層で構成することができる。ｎ型窒化物半導体層に接する最下層の金属層を構成する金属は、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触が可能であれば特に限定されない。好ましくは、少なくとも、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ及びＶから選択されるいずれか１種の金属を用いることができる。最下層の金属層の厚さは、５０〜５００Å、より好ましくは１００〜２００Åである。
【００２６】
また、負電極の最上層の金属層を構成する金属には少なくとも、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を用いることができる。最上層の厚さは、５０〜３０００Å、より好ましくは１００〜１０００Åである。また、上述のように、メッキバンプにＮｉを用いる場合には、Ｐｄを用いることが好ましい。Ｐｄ層がシード層となり、無電解Ｎｉメッキを行う場合に、活性化処理が不要となるからである。
【００２７】
【実施例】
実施例１．
（光学素子の作製）
サファイアから成る絶縁性基板１上に、ｎ型窒化物半導体層２、ｐ型窒化物半導体層３、発光層をＭＯＶＰＥ法により形成した。アニーリング後、ウェハを反応容器から取出し、最上層のｐ型窒化物半導体層の表面にＳｉＯ_２から成る絶縁膜を形成した後、その絶縁膜の表面に所定形状のレジスト膜を形成した。次に、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型窒化物半導体層側からエッチングを行い、負電極を形成するｎ型窒化物半導体層の表面を露出させた。次に、絶縁膜を酸により剥離させた後、ｐ型窒化物半導体層の表面のほぼ全面に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄをこの順で、膜厚４００Å／２００Å／１０００Åで積層して正電極を形成した。一方、エッチングにより露出させたｎ型窒化物半導体層の表面には、Ｗ、Ａｌをこの順で、膜厚２００Å／３５００Åで積層して負電極を形成した。正電極及び負電極を形成後、４００℃、窒素ガス雰囲気下で光学素子を加熱処理した。
【００２８】
次に、パターニングにより正電極と負電極のボンディング面のみを露出させた後、ボンディング面以外の素子全体を覆うようにＳｉＯ_２から成る絶縁性保護膜を形成した。
【００２９】
（メッキバンプ形成）
次に、ニッケルイオンと、還元剤に次亜リン酸ナトリウムを含むメッキ液にウェハを浸漬し、ニッケルを析出させて厚さ５０μｍのメッキバンプを正電極及び負電極のボンディング面に形成した。
【００３０】
（密着性の評価）
メッキバンプと、正電極及びｐ型窒化物半導体層との密着性は、引張り試験機を用いた剥離試験を行い、メッキバンプが正電極又はｐ型窒化物半導体層から剥離した時のせん断力を測定することにより評価した。
【００３１】
（発光特性の評価）
ＦＦＰ測定を行い、光学素子の発光分布を評価した。
【００３２】
比較例
正電極にＮｉ／Ｐｔ（膜厚１００Å／５００Å）を用い、パッド電極としてＰｔ（膜厚７０００Å）を正電極上に積層し、負電極にＷ／Ａｌ（膜厚２００Å／２０００Å）を用いた以外は、実施例１と同様の方法により窒化物半導体光学素子を作製した。
【００３３】
（結果）
剥離試験の結果、せん断力は比較例の５０ｇｆに対し、実施例１では４２０ｇｆと大きく増加し、密着性が大きく向上した。
また、比較例に比べ、実施例１では発光強度の分布がより均一になった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体光学素子は、正電極及び負電極の少なくとも一方を２層以上の金属層で構成し、少なくとも正電極のｐ型窒化物半導体層に接する最下層の金属層及び金属バンプに接する最上層の金属層に、金属バンプを構成する金属より延性の大きい金属を用いるようにしたので、最上層及び最下層の金属層が金属バンプの応力を緩和させて、金属バンプと正電極及びｐ型窒化物半導体層との密着性を向上させることができる。また、厚膜の正電極を用いる必要がなく、またパッド電極を用いる必要もないので、正電極のシート抵抗とｎ型窒化物半導体層のシート抵抗との差が大きくならず、発光強度の均一性を維持することが可能となる。これにより、生産性及び発光特性に優れたフリップチップ型の窒化物半導体光学素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体光学素子の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１光学素子、２基板、３ｎ型窒化物半導体層、４ｐ型窒化物半導体層、５正電極、５ａ最上層、５ｂ中間層、５ｃ最下層、６負電極、６ａ最上層、６ｃ最下層、７絶縁性保護膜、８，９メッキバンプ。

Claims

基板上に積層されたｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層と、該ｎ型及びｐ型窒化物半導体層のそれぞれに接続され同一面側に形成されてなる正電極及び負電極とを有し、該正電極及び負電極を金属バンプを介して実装基板に接続するフリップチップ型の窒化物半導体光学素子であって、
上記正電極及び負電極の少なくとも一方が２層以上の金属層からなり、該２層以上の金属層は、窒化物半導体層に接する第１の金属層と、金属バンプに接する第２の金属層とを有し、該第１及び第２の金属層が金属バンプを構成する金属より延性の大きい金属から成る窒化物半導体光学素子。
上記金属バンプを構成する金属は、Ｎｉ又はＣｕである請求項１記載の窒化物半導体光学素子。
上記正電極の第１の金属層は少なくとも、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を有する請求項２記載の窒化物半導体光学素子。
上記正電極の第２の金属層は少なくとも、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を有する請求項２又は請求項３に記載の窒化物半導体光学素子。
上記負電極の第２の金属層は少なくとも、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＰｔから選択されるいずれか１種の金属を有する請求項２から請求項４のいずれか一つに記載の窒化物半導体光学素子。
上記金属バンプは、無電解メッキにより形成されてなるメッキバンプである請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
基板上に積層されたｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層と、該ｎ型及びｐ型窒化物半導体層のそれぞれに接続され同一面側に形成されてなる正電極及び負電極とを有し、該正電極及び負電極を金属バンプを介して実装基板に接続するフリップチップ型の窒化物半導体光学素子の製造方法であって、
上記正電極及び負電極の少なくとも一方を２層以上の金属層で形成し、ここで少なくとも電極の窒化物半導体層に接する第１の金属層と金属バンプに接する第２の金属層とを金属バンプより延性の大きい金属で形成し、該第２の金属層に接して無電解メッキにより金属バンプを形成する窒化物半導体光学素子の製造方法。
上記の２層以上の金属層で形成した正電極を、非酸化雰囲気下、４００℃以上の温度でアニールする請求項７記載の製造方法。