JP2005197670A - Gallium nitride base compound semiconductor light emitting element and its negative electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に優れた特性および生産性を有する負極を具備したフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a gallium nitride compound semiconductor light emitting device, and more particularly to a flip chip type gallium nitride compound semiconductor light emitting device including a negative electrode having excellent characteristics and productivity.
近年、AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が紫外光領域から青色あるいは緑色発光ダイオード(LED)の材料として注目されている。このような材料の化合物半導体を使うことによって、これまで困難であった発光強度の高い紫外光、青色、緑色等の発光が可能となった。このような窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア基板上に成長させるため、GaAs系の発光素子のように基板の裏面に電極を設けることができない。このため結晶成長した半導体層側に負極と正極の両方を形成することが必要である。 In recent years, a gallium nitride-based compound semiconductor represented by Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) has been developed from an ultraviolet region to a blue or green light emitting diode (LED). It is attracting attention as a material. By using a compound semiconductor of such a material, it has become possible to emit ultraviolet light, blue light, green light, and the like with high light emission intensity, which has been difficult until now. Since such a gallium nitride compound semiconductor is generally grown on a sapphire substrate which is an insulating substrate, an electrode cannot be provided on the back surface of the substrate unlike a GaAs light emitting device. For this reason, it is necessary to form both the negative electrode and the positive electrode on the side of the crystal grown semiconductor layer.
特に、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体素子の場合は、サファイア基板が発光波長に対して透光性を有するため、電極面を下側にしてマウントし、サファイア基板側から光を取り出す構造のフリップチップ型が注目されている。 In particular, in the case of a semiconductor device using a gallium nitride compound semiconductor, since the sapphire substrate has translucency with respect to the emission wavelength, the electrode surface is mounted on the lower side and light is extracted from the sapphire substrate side. Flip chip type is attracting attention.
図1はこのような型の発光素子の一般的なの構造例を示す概略図である。すなわち、発光素子は、基板1にバッファ層2、n型半導体層3、発光層4およびp型半導体層5が結晶成長されて、発光層4およびp型半導体層5の一部がエッチング除去されてn型半導体層3が露出されており、p型半導体層5上に正極10、n型半導体層3上に負極20が形成されている。このような発光素子は、例えばリードフレームに電極形成面を向けて装着され、次いでボンディングされる。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a general structure of a light emitting device of this type. That is, in the light-emitting element, the
従って、フリップチップ型発光素子の場合、装着時に負極に数百℃の加熱がかかる。このため、フリップチップ型発光素子の負極は加熱による特性の劣化を抑制できることが要求される。 Therefore, in the case of a flip chip type light emitting element, the negative electrode is heated at several hundred degrees Centigrade during mounting. For this reason, the negative electrode of the flip-chip type light emitting element is required to be able to suppress deterioration of characteristics due to heating.
窒化ガリウム系化合物半導体と良好なオーミック接触を得る負極として、Al、CrおよびTiをn型窒化ガリウム系化合物半導体層に蒸着した負極が知られている(例えば特許文献1参照)。しかし、この負極は加熱によって特性劣化を来たす。また、n型窒化ガリウム系化合物半導体層の上に、V、Nb、ZrおよびCrよりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属またはこの金属を含む合金からなる下地層と該下地層上の他の金属からなる主電極層を蒸着により形成し、熱処理した負極が知られている(例えば特許文献2参照)。しかし、この方法では、電極形成後に熱処理工程を含むので生産性に劣る。 A negative electrode obtained by depositing Al, Cr, and Ti on an n-type gallium nitride compound semiconductor layer is known as a negative electrode that obtains good ohmic contact with a gallium nitride compound semiconductor (see, for example, Patent Document 1). However, this negative electrode is deteriorated by heating. An underlayer made of at least one metal selected from the group consisting of V, Nb, Zr and Cr or an alloy containing this metal and another metal on the underlayer on the n-type gallium nitride compound semiconductor layer A negative electrode is known in which a main electrode layer made of the above is formed by vapor deposition and heat-treated (see, for example, Patent Document 2). However, this method is inferior in productivity because it includes a heat treatment step after electrode formation.
本発明の目的は、n型窒化ガリウム系化合物半導体層と良好なオーミック接触を得ることができ、且つ、加熱による特性劣化に耐性を有する負極を提供することである。また、このような負極を具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することも本発明の目的である。 An object of the present invention is to provide a negative electrode that can obtain good ohmic contact with an n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and has resistance to deterioration of characteristics due to heating. It is also an object of the present invention to provide a gallium nitride compound semiconductor light emitting device having such a negative electrode.
本発明は下記の発明を提供する。
(1)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるn型半導体層、発光層およびp型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれn型半導体層およびp型半導体層に設けられている発光素子において、該負極が少なくともn型半導体層と接するコンタクトメタル層およびボンディングパッド層を含み、該コンタクトメタル層がスパッタリング法により形成されたCrまたはCr合金であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
The present invention provides the following inventions.
(1) An n-type semiconductor layer made of a gallium nitride-based compound semiconductor, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are included in this order on a substrate, and a negative electrode and a positive electrode are provided in the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, respectively. In the light emitting device, the negative electrode includes at least a contact metal layer and a bonding pad layer in contact with the n-type semiconductor layer, and the contact metal layer is Cr or a Cr alloy formed by a sputtering method. Semiconductor light emitting device.
(2)Cr合金がCrと仕事関数が4.5eV以下の金属元素との合金であることを特徴とする上記(1)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (2) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to (1) above, wherein the Cr alloy is an alloy of Cr and a metal element having a work function of 4.5 eV or less.
(3)仕事関数が4.5eV以下の金属元素がAl、Ti、Si、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、WおよびVからなる群から選ばれた一種または複数の金属元素であることを特徴とする上記(2)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (3) The metal element having a work function of 4.5 eV or less was selected from the group consisting of Al, Ti, Si, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, and V The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the above item (2), which is one or more metal elements.
(4)仕事関数が4.5eV以下の金属元素がAl、V、Nb、Mo、WおよびMnからなる群から選ばれた一種または複数の金属元素であることを特徴とする上記(3)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (4) Item (3) above, wherein the metal element having a work function of 4.5 eV or less is one or more metal elements selected from the group consisting of Al, V, Nb, Mo, W and Mn. 2. A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to 1.
(5)Cr合金中のCrの比率が1質量%以上100質量%未満であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (5) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (4), wherein a Cr ratio in the Cr alloy is 1% by mass or more and less than 100% by mass.
(6)Cr合金中のCrの比率が10質量%以上であることを特徴とする上記(5)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (6) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to the above (5), wherein the ratio of Cr in the Cr alloy is 10% by mass or more.
(7)コンタクトメタル層の厚さが1〜500nmであることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (7) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (6), wherein the contact metal layer has a thickness of 1 to 500 nm.
(8)コンタクトメタル層の厚さが10nm以上であることを特徴とする上記(7)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (8) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to (7) above, wherein the contact metal layer has a thickness of 10 nm or more.
(9)ボンディングパッド層がAu、Al、NiおよびCuからなる群から選ばれた金属または該金属を含んだ合金であることを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (9) The bonding pad layer is a metal selected from the group consisting of Au, Al, Ni and Cu, or an alloy containing the metal, according to any one of (1) to (8) above The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device described.
(10)ボンディングパッド層の厚さが100〜1000nmであることを特徴とする上記(1)〜(9)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (10) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (9) above, wherein the bonding pad layer has a thickness of 100 to 1000 nm.
(11)ボンディングパッド層の厚さが200〜500nmであることを特徴とする上記(10)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (11) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to (10) above, wherein the bonding pad layer has a thickness of 200 to 500 nm.
(12)ボンディングパッド層上にAu−Sn合金からなる層が設けられていることを特徴とする上記(1)〜(11)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (12) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (11) above, wherein a layer made of an Au—Sn alloy is provided on the bonding pad layer.
(13)Au−Sn合金層の厚さが200nm以上であることを特徴とする上記(12)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (13) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to (12) above, wherein the Au—Sn alloy layer has a thickness of 200 nm or more.
(14)ボンディングパッド層上に鉛フリーはんだ層が設けられていることを特徴とする上記(1)〜(11)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (14) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (11), wherein a lead-free solder layer is provided on the bonding pad layer.
(15)鉛フリーはんだ層の厚さが200nm以上であることを特徴とする上記(14)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (15) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to (14) above, wherein the lead-free solder layer has a thickness of 200 nm or more.
(16)コンタクトメタル層とボンディングパッド層の間にTiからなる接着層が設けられていることを特徴とする上記(1)〜(15)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (16) The gallium nitride compound semiconductor light emitting device as described in any one of (1) to (15) above, wherein an adhesive layer made of Ti is provided between the contact metal layer and the bonding pad layer. element.
(17)接着層の厚さが1〜100nmであることを特徴とする上記(16)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (17) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the above (16), wherein the adhesive layer has a thickness of 1 to 100 nm.
(18)接着層の厚さが10nm以上であることを特徴とする上記(17)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (18) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the above (17), wherein the adhesive layer has a thickness of 10 nm or more.
(19)コンタクトメタル層とボンディングパッド層の間にバリア層が設けられていることを特徴とする上記(1)〜(15)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (19) The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (15) above, wherein a barrier layer is provided between the contact metal layer and the bonding pad layer.
(20)ボンディングパッド層とAu−Sn合金層もしくは鉛フリーはんだ層の間にバリア層が設けられていることを特徴とする上記(12)〜(18)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (20) The gallium nitride as described in any one of (12) to (18) above, wherein a barrier layer is provided between the bonding pad layer and the Au—Sn alloy layer or the lead-free solder layer. Compound semiconductor light emitting device.
(21)バリア層がTi、Zr、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Fe、Co、Ni、Ru、RhおよびPdからなる群から選ばれた金属または該金属を含んだ合金であることを特徴とする上記(19)または(20)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (21) A metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Fe, Co, Ni, Ru, Rh and Pd, or an alloy containing the metal The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to item (19) or (20), wherein
(22)バリア層がTi、Ta、WおよびPtからなる群から選ばれた金属または該金属を含んだ合金であることを特徴とする上記(21)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (22) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the above (21), wherein the barrier layer is a metal selected from the group consisting of Ti, Ta, W, and Pt or an alloy containing the metal. .
(23)バリア層の厚さが10〜500nmであることを特徴とする上記(19)〜(22)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (23) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of (19) to (22) above, wherein the barrier layer has a thickness of 10 to 500 nm.
(24)バリア層の厚さが50〜300nmであることを特徴とする上記(23)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (24) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the above (23), wherein the barrier layer has a thickness of 50 to 300 nm.
(25)窒化ガリウム系化合物半導体発光素子がフリップチップ型であることを特徴とする上記(1)〜(24)のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (25) The gallium nitride compound semiconductor light emitting device according to any one of (1) to (24) above, wherein the gallium nitride compound semiconductor light emitting device is a flip chip type.
(26)窒化ガリウム系化合物半導体素子用の負極であって、少なくともn型半導体層と接するコンタクトメタル層およびボンディングパッド層を含み、該コンタクトメタル層がスパッタリング法により形成されたCrまたはCr合金であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の負極。 (26) A negative electrode for a gallium nitride-based compound semiconductor device, comprising at least a contact metal layer and a bonding pad layer in contact with an n-type semiconductor layer, wherein the contact metal layer is Cr or a Cr alloy formed by sputtering. A negative electrode for a gallium nitride compound semiconductor light emitting device.
(27)窒化ガリウム系化合物半導体発光素子がフリップチップ型であることを特徴とする上記(26)項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の負極。 (27) The negative electrode for a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to the above (26), wherein the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device is a flip chip type.
(28)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるn型半導体層、発光層およびp型半導体層をこの順序で含み、正極が該p型半導体層に設けられ、ボンディングパッド層およびCrもしくはCr合金からなるコンタクトメタル層を少なくとも有する負極が該n型半導体層に設けられている窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、該コンタクトメタル層を該n型半導体層上にスパッタリング法により形成してアニーリングなしにオーミックコンタクトさせることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
(29)上記(1)〜(25)のいずれか一項に記載の発光素子を用いてなるランプ。
(28) An n-type semiconductor layer made of a gallium nitride compound semiconductor, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are included on the substrate in this order, a positive electrode is provided on the p-type semiconductor layer, and a bonding pad layer and Cr or Cr alloy A method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device in which a negative electrode having at least a contact metal layer made of is provided on the n-type semiconductor layer, wherein the contact metal layer is formed on the n-type semiconductor layer by a sputtering method And producing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, wherein the ohmic contact is performed without annealing.
(29) A lamp comprising the light emitting device according to any one of (1) to (25) above.
スパッタリング法により形成されたCrまたはCr合金をコンタクトメタル層とする本発明の負極は、n型窒化ガリウム系化合物半導体層と良好なオーミック接触を得ることができ、且つ、加熱により特性劣化を引き起こすことがない。また、本発明の負極とn型窒化ガリウム系化合物半導体層との良好なオーミック接触はアニーリング処理なしに達成されるので、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は生産性に優れる。 The negative electrode of the present invention using Cr or Cr alloy formed by sputtering as a contact metal layer can obtain good ohmic contact with the n-type gallium nitride compound semiconductor layer, and causes deterioration of characteristics by heating. There is no. In addition, since a good ohmic contact between the negative electrode of the present invention and the n-type gallium nitride compound semiconductor layer is achieved without annealing treatment, the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention is excellent in productivity.
本発明における基板上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体としては、図1に示したような、基板1にバッファ層2、n型半導体層3、発光層4およびp型半導体層5が結晶成長されている従来公知のものが何ら制限無く用いることができる。基板にはサファイアおよびSiC等従来公知のものが何ら制限なく用いられ、窒化ガリウム系化合物半導体には一般式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)で表わされる従来公知の窒化ガリウム系化合物半導体が何ら制限なく用いられる。
As the gallium nitride compound semiconductor laminated on the substrate in the present invention, as shown in FIG. 1, a
その一例を説明すると、図2に示したような、サファイア基板1上にAlN層からなるバッファ層2を積層し、その上にn型GaN層からなるコンタクト層3a、n型GaN層からなる下部クラッド層3b、InGaN層からなる発光層4、p型AlGaN層からなる上部クラッド層5b、およびp型GaN層からなるコンタクト層5aを順次積層したものを用いることができる。コンタクト層5a上に設ける正極10は、例えばAlのような従来公知の組成および構造の正極を何ら制限なく用いることができる。
For example, as shown in FIG. 2, a
このような窒化ガリウム系化合物半導体のコンタクト層5a、上部クラッド層5b、発光層4、および下部クラッド層3bの一部をエッチングにより除去してコンタクト層3a上に負極20を設ける。負極20は、コンタクトメタル層21、接着層22およびボンディングパッド層23から構成されている。
A part of the contact layer 5a, upper clad layer 5b, light emitting
本発明において、負極は少なくともn型半導体層とオーミック接触を形成するコンタクトメタル層および回路基板またはリードフレーム等と電気接続するためのボンディングパッド層の2つの層を含み、コンタクトメタル層がスパッタリング法で形成されたCrまたはCr合金からなることを特徴とする。スパッタリング法を用いてコンタクトメタル層を形成することにより、n型GaNとコンタクトメタル層との合金化が進むため、アニーリングしなくてもコンタクトメタル層形成後に低接触抵抗を得ることができる。 In the present invention, the negative electrode includes at least two layers of a contact metal layer that forms ohmic contact with the n-type semiconductor layer and a bonding pad layer for electrical connection with a circuit board or a lead frame, and the contact metal layer is formed by a sputtering method. It consists of formed Cr or Cr alloy. By forming the contact metal layer using a sputtering method, alloying between the n-type GaN and the contact metal layer proceeds, so that a low contact resistance can be obtained after the contact metal layer is formed without annealing.
コンタクトメタル層の厚さは1nm以上が好ましい。とくに5nm以上とすると低抵抗が得られるため望ましい。さらに10nm以上とすると安定した低抵抗が得られるため、より望ましい。厚すぎても生産性が悪化するので、500nm以下が好ましい。さらに好ましくは200nm以下である。 The thickness of the contact metal layer is preferably 1 nm or more. In particular, the thickness of 5 nm or more is desirable because low resistance can be obtained. Furthermore, if it is 10 nm or more, a stable low resistance can be obtained, which is more desirable. Since productivity deteriorates even if it is too thick, 500 nm or less is preferable. More preferably, it is 200 nm or less.
Cr合金としては、仕事関数が4.5eV以下の金属元素との合金が、接触比抵抗が低いので好ましい。仕事関数が4.5eV以下の金属元素としては、例えばAl、Ti、Si、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、WおよびV等が挙げられる。これらの中でも、Al、V、Nb、Mo、WおよびMnが特に好ましい。 As the Cr alloy, an alloy with a metal element having a work function of 4.5 eV or less is preferable because of its low contact specific resistance. Examples of the metal element having a work function of 4.5 eV or less include Al, Ti, Si, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, and V. Among these, Al, V, Nb, Mo, W and Mn are particularly preferable.
Cr合金のCr含有率は1質量%以上100質量%未満が好ましい。特に発光素子の加熱による特性劣化を抑制するためにはCrの含有率を10質量%以上とすることが望ましい。さらに安定的に特性劣化を抑制するためには20質量%以上とするのが望ましい。また、Crは300℃の熱印加により反射率が向上するため、Crの含有率は高い方が望ましい。 The Cr content of the Cr alloy is preferably 1% by mass or more and less than 100% by mass. In particular, in order to suppress deterioration of characteristics due to heating of the light emitting element, it is desirable that the Cr content is 10% by mass or more. Furthermore, in order to suppress characteristic deterioration stably, it is desirable to set it as 20 mass% or more. Moreover, since the reflectance of Cr is improved by applying heat at 300 ° C., it is desirable that the Cr content is high.
スパッタリングは、従来公知のスパッタリング装置を用いて従来公知の条件を適宜選択して実施することができる。窒化ガリウム系化合物半導体層を積層し、n型半導体層の一部をエッチングにより露出させた基板をチャンバ内に収容し、基板温度を室温から500℃の範囲に設定する。好ましくは室温付近とする。チャンバ内は真空度が10-4〜10-7Paとなるまで排気する。スパッタリング用ガスとしては、He、Ne、Ar、Kr、Xe等が使用できる。入手の容易さからArとするのが望ましい。これらの内の一つのガスをチャンバ内に導入し、0.1〜10Paにしたのち放電を行う。好ましくは0.2〜5Paの範囲に設定する。供給する電力は0.2〜2.0kWの範囲が好ましい。この際、放電時間と供給電力を調節することによって、形成する層の厚さを調節することができる。スパッタリングに使用する所要ターゲットの酸素含有量は10000ppm以下とすることが、形成された層中の酸素含有量が少なくなるので好ましい。6000ppm以下とすることがさらに好ましい。合金層を形成する場合、あらかじめ目的組成の合金を作製しておき、その合金をターゲットとして、同じ組成の合金層をスパッタリングすることが好ましい。 Sputtering can be carried out by appropriately selecting conventionally known conditions using a conventionally known sputtering apparatus. A substrate in which a gallium nitride compound semiconductor layer is stacked and a part of the n-type semiconductor layer is exposed by etching is accommodated in a chamber, and the substrate temperature is set in a range of room temperature to 500 ° C. Preferably, it is around room temperature. The chamber is evacuated until the degree of vacuum is 10 −4 to 10 −7 Pa. As the sputtering gas, He, Ne, Ar, Kr, Xe, or the like can be used. Ar is desirable because of availability. One of these gases is introduced into the chamber and the discharge is performed after the pressure is set to 0.1 to 10 Pa. Preferably it sets to the range of 0.2-5Pa. The supplied power is preferably in the range of 0.2 to 2.0 kW. At this time, the thickness of the layer to be formed can be adjusted by adjusting the discharge time and supply power. The oxygen content of the required target used for sputtering is preferably 10,000 ppm or less because the oxygen content in the formed layer is reduced. More preferably, it is 6000 ppm or less. When forming an alloy layer, it is preferable to prepare an alloy having a target composition in advance and then sputtering the alloy layer having the same composition using the alloy as a target.
コンタクトメタル層とn型GaN半導体層との接触抵抗が良好であるためにはn型GaN半導体層表面の自然酸化膜の除去状況が大きく影響する。GaN半導体層の表面は大気中で酸化され自然酸化膜が形成される。一旦エッチング等により酸化膜を除去したとしても電極形成までの間に大気に暴露されれば再び表面が酸化される。GaNが酸化された膜は絶縁体であるので、GaN表面全体が酸化膜で覆われていれば電極/GaN界面の接触抵抗が高くなる。従って、スパッタリング前にn型半導体層表面の酸化膜を除去しておくことは重要である。 For good contact resistance between the contact metal layer and the n-type GaN semiconductor layer, the removal state of the natural oxide film on the surface of the n-type GaN semiconductor layer greatly affects. The surface of the GaN semiconductor layer is oxidized in the atmosphere to form a natural oxide film. Even if the oxide film is once removed by etching or the like, the surface is oxidized again if it is exposed to the atmosphere before electrode formation. Since the film in which GaN is oxidized is an insulator, the contact resistance at the electrode / GaN interface increases if the entire GaN surface is covered with the oxide film. Therefore, it is important to remove the oxide film on the surface of the n-type semiconductor layer before sputtering.
ボンディングパッド層はAu、Al、NiおよびCuからなる群から選ばれた金属または該金属を含んだ合金で形成することが、バンプとの密着性が良いので好ましい。ボンディングパッドの厚さは100〜1000nmが生産性に優れるので好ましい。さらに好ましくは200〜800nmである。特に好ましくは200〜500nmである。 The bonding pad layer is preferably formed of a metal selected from the group consisting of Au, Al, Ni, and Cu or an alloy containing the metal because of good adhesion to the bumps. The thickness of the bonding pad is preferably 100 to 1000 nm because of excellent productivity. More preferably, it is 200-800 nm. Especially preferably, it is 200-500 nm.
コンタクトメタル層とボンディングパッド層との間に両層の接着性を改良するために、Tiからなる接着層を介在させることが好ましい。接着層を設ける場合、厚さは1〜100nmが好ましい。1nm未満では十分な接着効果が得られない。100nmを超えると発光素子を加熱した場合にTi膜が酸化され、電気特性が悪化する恐れがある。5nm以上とすると安定した接着効果が得られるので、さらに好ましい。特に好ましくは10nm以上である。 An adhesive layer made of Ti is preferably interposed between the contact metal layer and the bonding pad layer in order to improve the adhesion between the two layers. When providing an adhesive layer, the thickness is preferably 1 to 100 nm. If it is less than 1 nm, a sufficient adhesive effect cannot be obtained. If the thickness exceeds 100 nm, the Ti film may be oxidized when the light emitting element is heated, and the electrical characteristics may be deteriorated. If it is 5 nm or more, a stable adhesive effect can be obtained, which is more preferable. Especially preferably, it is 10 nm or more.
ボンディングパッド層上にAu−Sn合金層または鉛フリーはんだ層を設けることができる。Au−Sn合金層または鉛フリーはんだ層は、発光素子をサブマウントに装着する際の接着層としての役割を果たすために、200nm以上の厚さであることが望ましい。また、生産性の観点から5μm以下の厚さであることが好ましい。 An Au—Sn alloy layer or a lead-free solder layer can be provided on the bonding pad layer. The Au—Sn alloy layer or the lead-free solder layer preferably has a thickness of 200 nm or more in order to serve as an adhesive layer when the light emitting element is attached to the submount. Moreover, it is preferable that it is 5 micrometers or less from a viewpoint of productivity.
Au−Sn合金層または鉛フリーはんだ層を設けた場合でも、発光素子の実装時に300〜400℃の熱が数分以上かかる。このときの熱によってコンタクトメタル層中のCrがボンディングパッド層、Au−Sn合金層または鉛フリーはんだ層に拡散する恐れがある。よって、Crの拡散を防止するためにバリア層をコンタクトメタル層およびボンディングパッド層間またはボンディングパッド層およびAu−Sn合金層(または鉛フリーはんだ層)間に設けることが好ましい。 Even when an Au—Sn alloy layer or a lead-free solder layer is provided, heat of 300 to 400 ° C. is required for several minutes or more when the light emitting element is mounted. At this time, Cr in the contact metal layer may diffuse into the bonding pad layer, the Au—Sn alloy layer, or the lead-free solder layer. Therefore, it is preferable to provide a barrier layer between the contact metal layer and the bonding pad layer or between the bonding pad layer and the Au—Sn alloy layer (or lead-free solder layer) in order to prevent Cr from diffusing.
バリア層はTi、Zr、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Fe、Co、Ni、Ru、RhおよびPdからなる群から選ばれた金属または該金属を含んだ合金であることが望ましい。とくに、Ti、Ta、W、Ptが望ましい。バリア層の厚さは薄すぎると均一な単膜にならないので10nm以上が望ましく、生産性の観点からは500nm以下が望ましい。さらに好ましくは50〜300nmである。
上述のTiからなる接着層を設けた場合には、この接着層がバリア層を兼ねる。
The barrier layer is a metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, and Pd or an alloy containing the metal. Is desirable. In particular, Ti, Ta, W, and Pt are preferable. If the thickness of the barrier layer is too thin, a uniform single film cannot be obtained. Therefore, the thickness is preferably 10 nm or more, and is preferably 500 nm or less from the viewpoint of productivity. More preferably, it is 50-300 nm.
When the adhesive layer made of Ti described above is provided, this adhesive layer also serves as a barrier layer.
ボンディングパッド層、接着層およびバリア層の形成方法はスパッタリング法および蒸着法等、従来公知の方法を何ら制限なく用いることができる。しかし、コンタクトメタル層の形成をスパッタリング法で行なうので、コンタクトメタル層の形成に引き続いてスパッタリング法で行なうことが、工程が簡略され好ましい。また、Au−Sn合金層または鉛フリーはんだ層の形成方法も、蒸着法、メッキ法およびペーストを用いた塗布法等従来公知の方法を何ら制限なく用いることができる。 As a method for forming the bonding pad layer, the adhesive layer, and the barrier layer, conventionally known methods such as sputtering and vapor deposition can be used without any limitation. However, since the contact metal layer is formed by the sputtering method, it is preferable that the contact metal layer is formed by the sputtering method subsequent to the formation of the contact metal layer because the process is simplified. As a method for forming the Au—Sn alloy layer or the lead-free solder layer, a conventionally known method such as a vapor deposition method, a plating method, and a coating method using a paste can be used without any limitation.
また、本発明の発光素子に必要に応じて蛍光剤を有するカバーを設けて、ランプにすることができる。 Moreover, the light emitting element of the present invention can be provided with a cover having a fluorescent agent as necessary to form a lamp.
以下に、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明する。表1に本実施例および比較例で用いた負極材料と形成法および成膜直後と加熱テスト後の評価結果を示したが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. Table 1 shows the negative electrode material and the forming method used in this example and the comparative example, and the evaluation results immediately after the film formation and after the heating test, but the present invention is not limited to these examples.
図2は本実施例で製造した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の概略図である。
用いた窒化ガリウム系化合物半導体は、サファイア基板1上にAlN層からなるバッファ層2を積層し、その上にn型GaN層からなるコンタクト層3a、n型GaN層からなる下部クラッド層3b、InGaN層からなる発光層4、p型AlGaN層からなる上部クラッド層5b、およびp型GaN層からなるコンタクト層5aを順次積層したものである。コンタクト層3aはSiを7×1018/cm3ドープしたn型GaN層であり、下部クラッド層3bはSiを5×1018/cm3ドープしたn型GaN層であり、発光層4の構造は単一量子井戸構造で、InGaNの組成はIn0.95Ga0.05Nである。上部クラッド層5bはMgを1×1018/cm3ドープしたp型のAlGaNでその組成はAl0.25Ga0.75Nである。コンタクト層5aはMgを5×1019/cm3ドープしたp型のGaN層である。これらの層の積層は、MOCVD法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
FIG. 2 is a schematic view of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device manufactured in this example.
The used gallium nitride-based compound semiconductor has a
この窒化ガリウム系化合物半導体に以下の手順で正極10および負極20を設けてフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
The gallium nitride compound semiconductor was provided with the
まず、コンタクト層5a表面の酸化膜を除去する目的で沸騰した濃HCl中でこの窒化ガリウム系化合物半導体素子を10分間処理した。 First, this gallium nitride compound semiconductor element was treated for 10 minutes in concentrated HCl boiled for the purpose of removing the oxide film on the surface of the contact layer 5a.
次いで、正極10としてAlをコンタクト層5a上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術により正極形成領域のレジストを除去した。バッファードフッ酸(BHF)に室温で1分間浸漬した後、真空スパッタリング装置で正極を成膜した。スパッタリング法により形成する際の操作条件は、次の通りである。
Next, Al was formed on the contact layer 5 a as the
チャンバ内は真空度が10-6Paとなるまで排気した。基板をチャンバ内に収容し、スパッタリング用ガスとしてArガスをチャンバ内に導入し、0.5Paとしたのち放電を行なった。供給する電力は0.25kWとした。この際、放電時間と供給電力を調節することによって、形成する層の厚さを100nmに調節した。スパッタリング装置内より取り出した後、リフトオフ技術を用いて正極領域以外の金属膜をレジストと共に除去した。 The chamber was evacuated until the degree of vacuum was 10 −6 Pa. The substrate was accommodated in the chamber, Ar gas was introduced into the chamber as a sputtering gas, and after 0.5 Pa, discharge was performed. The supplied power was 0.25 kW. At this time, the thickness of the layer to be formed was adjusted to 100 nm by adjusting the discharge time and the supplied power. After taking out from the sputtering apparatus, the metal film other than the positive electrode region was removed together with the resist using a lift-off technique.
次に、負極20をコンタクト層3a上に形成した。形成手順は以下のとおりである。
まず、エッチングマスクを正極10上に形成した。形成手順は以下の通りである。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、正極領域より一回り大きい領域からレジストを除去した。真空蒸着装置内にセットして、圧力4×10-4Pa以下でNiおよびTiをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約50nmおよび300nmとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、正極領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。このエッチングマスクは、正極を反応性イオンドライエッチングのプラズマダメージから保護するための層である。
Next, the
First, an etching mask was formed on the
次いで、コンタクト層3aを露出させ、その上に負極20を形成した。形成手順は以下の通りである。反応性イオンドライエッチングにて、コンタクト層3aが露出するまでエッチングを施した後、ドライエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。
Next, the contact layer 3a was exposed, and the
次に、レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出されたコンタクト層3a領域からレジストを除去した後、上述したスパッタリング法によりCrからなるコンタクトメタル層21、Tiからなる接着層22およびAuからなるボンディングパッド層23をそれぞれ100nm、20nmおよび300nmの厚さで形成した。その後、負極部以外の金属膜をレジストと共に除去して、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
Next, after uniformly applying a resist on the entire surface, using a known lithography technique, the resist is removed from the exposed contact layer 3a region, and then the
さらに、表1に示した材料のコンタクトメタル層、接着層およびボンディングパッド層を用いて上記と同様に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。得られた発光素子の接触比抵抗を円形TLM法により測定し、その結果を表1に併せて示した。 Furthermore, a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element was fabricated in the same manner as described above using a contact metal layer, an adhesive layer, and a bonding pad layer made of the materials shown in Table 1. The contact specific resistance of the obtained light emitting device was measured by a circular TLM method, and the results are also shown in Table 1.
なお、表1の形成法における「蒸着」は、比較のために蒸着法によって負極を形成したものである。基板を炉内に入れ、10-4Pa以下の真空中で蒸着法により負極を形成した。また、「SPT」はスパッタリング法を意味する。加熱テストはRTA炉により、大気中で300℃、1分間加熱した。 The “evaporation” in the forming method of Table 1 is a method in which a negative electrode is formed by a vapor deposition method for comparison. The substrate was placed in a furnace, and a negative electrode was formed by vapor deposition in a vacuum of 10 −4 Pa or less. “SPT” means a sputtering method. In the heating test, heating was performed at 300 ° C. for 1 minute in the atmosphere using an RTA furnace.
コンタクトメタル層を蒸着法により形成すると、成膜後はオーミック特性であるが、加熱テスト後には接触特性がショットキーとなり、抵抗値の著しい悪化が見られる。一方、スパッタリング法により形成した本発明では、成膜後も加熱テスト後もオーミック特性であり、また、低抵抗を維持する。スパッタリング法によりコンタクトメタル層を形成した場合、Cr−Al合金を用いると、Crの比率が20%となってもこの特性が維持される。Cr−Mo合金を用いると、さらに低抵抗になり、加熱テスト後もその低抵抗が維持される。 When the contact metal layer is formed by a vapor deposition method, it has ohmic characteristics after the film formation, but the contact characteristics become Schottky after the heating test, and the resistance value is remarkably deteriorated. On the other hand, in the present invention formed by the sputtering method, it has ohmic characteristics after film formation and after a heat test, and maintains low resistance. When a contact metal layer is formed by sputtering, this characteristic is maintained when a Cr—Al alloy is used even if the Cr ratio is 20%. When a Cr—Mo alloy is used, the resistance is further reduced, and the low resistance is maintained even after the heating test.
本発明によって提供されるフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光ダイオードおよびランプ等の材料として有用である。 The flip chip type gallium nitride compound semiconductor light emitting device provided by the present invention is useful as a material for light emitting diodes and lamps.
1 基板
2 バッファ層
3 n型半導体層
4 発光層
5 p型半導体層
10 正極
20 負極
21 コンタクトメタル層
22 接着層
23 ボンディングパッド層
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