JP2006344682A - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射金属層の平坦性を担保できる半導体発光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体発光装置の製造方法は、共晶電極層１３を有するＬＥＤチップを準備する工程と、Ａｇを主成分とする反射金属層２６を含む積層電極層を形成したサブマウント基板を準備する工程と、前記積層電極層を有するＳｉ基板２１によるサブマウント基板に、共晶接合のピーク温度以下の熱履歴を印加する工程と、前記熱履歴を印加したサブマウント基板上に、共晶電極層を有するＬＥＤチップを載置し、ピーク温度３００℃以上の共晶接合を行う工程と、を有する。共晶接合前に、反射金属層に熱履歴を印加することにより、反射金属層の平坦性を担保できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光装置の製造方法に関し、特にサブマウント基板上にＬＥＤチップを搭載した半導体発光装置の製造方法に関する。

サブマウント基板に発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを搭載した構造を有する半導体発光装置が提案されている。例えば、Ｓｉ基板上に反射金属層を形成し、その上に半導体発光装置を貼り合せた構造である。可視光、近紫外光に対する反射率の高い金属として、Ａｌ，Ａｇ等が知られている。特にＡｇの反射率は高い。サブマウント基板上にＡｇ，Ａｌ等の反射金属層を形成し、その上にＬＥＤチップを貼り合せれば、ＬＥＤチップから発し、反射金属層に入射した光を効率的に反射することができる。

特開２００１‐４４４９１号公報は、ＧａＡｓ基板上に形成したＩＩＩ−Ｖ族化合物ＬＥＤを反射層を有する導電基板に接合し、ＧａＡｓ基板を剥離してＬＥＤの輝度を向上することを提案する。

特開２００１‐１８９４９０号公報は、ＧａＡｓまたはＩｎＰの仮基板上にＬＥＤを成長し、反射層を兼ねる金属粘着層を有する永久基板上に粘着し、仮基板を除去する製造方法を提案する。

ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ等のＶ族元素としてＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物（窒化物）半導体を利用した青色発光の半導体発光装置が広く知られている。窒化物半導体のＩＩＩ族元素は、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，またはこれらの組み合わせである。青色発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）を蛍光物質を含む波長変換層で被覆すると、白色光を発光させることもできる。白色光は、照明等の用途に用いることもできる。

窒化物半導体層は、一般的にサファイアやＳｉＣ等異種材料の基板上に成長される。サファイア基板は絶縁性であるが、ＳｉＣ基板は導電性にでき、その上に電極を形成することができる。

近年、発光ダイオードの高出力化が進むと共に、従来使用されていた表示用分野から特殊照明、一般照明、自動車照明など照明用分野に市場が拡大してきた。同時に、ＬＥＤのダイサイズも□３００μｍ程度から□１ｍｍ、□２ｍｍと大型化が進んできた。しかし、ダイサイズの大型化に伴い、発光むら、電流供給障害、素子の発熱などの問題が顕在化してきた。サブマウント基板上にＬＥＤチップを載置した構成は、高出力化にも適している。

ＬＥＤチップをパッケージにマウントする場合，耐熱温度が共晶温度以下の場合もある。パッケージの接合面の面粗さが大きく，直接マウントするのが不適切な場合もある。このような場合にも、ＬＥＤチップを一旦サブマウント基板上に接合し，サブマウント基板をパッケージにＡｇペーストやエポキシ樹脂でマウントすることで，問題を回避できる。

ＬＥＤチップとサブマウント基板との貼り合わせに、Ａｕ−Ｓｎ共晶接合が用いられる。Ａｕ−Ｓｎ共晶接合は、共晶材料層を共晶温度２８０℃以上に加熱，熔融することを要する。ＬＥＤ素子に悪影響を与えないためには、短時間で共晶接合を完了させることが望まれる。そのため、共晶温度より高い温度例えば３００℃以上、典型的には３０５℃以上のピーク温度を印加して共晶接合を行う。共晶接合の際、反射金属層の反射特性が低下したり，共晶材料のボールアップが生じることがある。ボールアップとは，共晶温度以上で一旦液化したＡｕ−Ｓｎが，降温により固化する際，偏析することにより部分的に盛り上がる現象をいう。

特開２００２−２７０９０５号は、サファイア基板上に複数の発光素子を形成し、シリコン基板で形成した１個のサブマウント素子にバンプを介して発光素子を搭載することを提案している。複数個の発光素子を集積することにより大きな発光光量が得られ、サファイア基板より優れた放熱性を有するシリコン基板により、放熱が促進され、発熱による発光効率の低下が改善され、発光効率がよくなり、優れた照明用光源が得られる。

特開２００４‐２９６８４６号は、サブマウント基板上にＴｉ層、Ｎｉ層を含むボールアップ防止金属積層を設けることを提案している。更に，共晶材料層とＬＥＤチップの電極層との間等にバリア層を設けることを提案する。

特開２００１‐４４４９１号公報 特開２００１−１８９４９０号公報 特開２００２−２７０９０５号公報 特開２００４-２９６８４６号公報

本発明の目的は、サブマウント基板上にＬＥＤチップを搭載し、高光出力を効率的に提供できる半導体発光装置の製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は、サブマウント基板上にＬＥＤチップを共晶接合し、かつ反射金属層の平坦性を担保できる半導体発光装置の製造方法を提供することである。

本発明の１観点によれば、
共晶電極層を有するＬＥＤチップを準備する工程と、
Ａｇを主成分とする反射金属層を含む積層電極層を形成したサブマウント基板を準備する工程と、
前記積層電極層を有するサブマウント基板に、共晶接合のピーク温度以下の熱履歴を印加する工程と、
前記熱履歴を印加したサブマウント基板上に、共晶電極層を有するＬＥＤチップを載置し、共晶接合を行う工程と、
を有する半導体発光装置の製造方法
が提供される。

共晶接合前に、反射金属層に熱履歴を印加することにより、反射金属層の平坦性を担保できることが見出された。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ１の構成例、サブマウント基板２の構成例、及びサブマウント基板２上にＬＥＤチップ１を共晶接合したサブマウント型ＬＥＤの構成例を示す。

図１Ａに示すように、ＬＥＤチップ1は、例えば米国ノースカロライナ州クリ−（Ｃｒｅｅ）社から入手可能な、商品名ＸＴｈｉｎのインジウムガリウムナイトライド（ＩｎＧａＮ）発光ダイオードである。窒素（Ｎ）をドープしたｎ型炭化珪素ＳｉＣ単結晶基板１１の上に、ｎ型窒化物半導体（ＩｎＧａＮ）層１２ａ、窒化物半導体（ＩｎＧａＮ）多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１２ｂ、ｐ型窒化物半導体（ＩｎＧａＮ）層１２ｃをエピタキシャルに成長した窒化物半導体（ＩｎＧａＮ）層１２を有する。ＳｉＣ基板は側面がテーパを有し、上面が３００μｍ×３００μｍ程度、底面が２００μｍ×２００μｍ程度である。ｐ型窒化物半導体層１２ｃの上に、非透光性材料であるＡｕ―Ｓｎ共晶材のアノード電極１３がスパッタリングで形成され、ｎ型ＳｉＣ単結晶基板１１の裏面に直径１０５μｍのＡｕカソード電極１４が形成されている。全厚さは１１５μｍ程度である。Ａｕ−Ｓｎ共晶材の組成は、Ａｕ：Ｓｎ＝約８０ｗｔ％：約２０ｗｔ％である。光はＳｉＣ基板１１側から取り出す。

図１Ｂに示すように、サブマウント基板２は、例えば熱酸化により形成した厚さ０．１μｍの酸化シリコン膜２２を備えたＳｉ基板２１の上に、厚さ０．２μｍのＴｉ層２３、厚さ０．２μｍのＣｕ層２４をスパッタリングで形成し、その上に厚さ２μｍのＮｉ層２５、厚さ２μｍのＡｇ層２６をメッキで形成したものである。Ａｇ層は、反射電極の機能を有する。

Ｔｉ層２３は、酸化シリコン層２２に対する密着性を向上する密着層としての機能を有する。Ｃｕ層２４は、メッキのための下地層を構成する。Ｔｉ層２３、Ｎｉ層２５は、後述する共晶接合時にボールアップを防止する機能を有する。Ａｇ層２６は反射金属層である。

図１Ｃに示すように、サブマウント基板２のＡｇ層２６の上にＡｕ−Ｓｎアノード電極１３が載置されるように配置し、圧力と熱を印加してＬＥＤチップ１をサブマウント基板２に熱圧着するか、フラックスを用いて共晶接合する。いずれの場合も、Ａｕ−Ｓｎアノード電極１３が共晶温度に達して熔融し、共晶となる共晶接合が行われる。量産性の観点からは、フラックスを用いて共晶接合する方が有利である。以下に述べる実験ではフラックスを用いた。ＬＥＤチップを加熱しすぎると、結晶欠陥の増加、不純物の再拡散、電極材料の結晶内部への拡散、アロイイング等のダメージを生じ得る。ダメージを少なくするためには短時間で昇温し、ピーク温度保持時間を短くして熱の蓄積時間を少なくすることが望まれる。ピーク温度は共晶温度以上にする必要がある。Ａｕ−Ｓｎ接合の場合、ピーク温度を３０５℃程度以上にすることが好ましい。

Ｔｉ層２３、Ｎｉ層２５を形成しないと温度降下時にＡｕ−Ｓｎ共晶が局所的に盛り上がる所謂ボールアップが生じる。Ｔｉ層２３、Ｎｉ層２５は、Ａｇ層２６とＡｕ−Ｓｎアノード電極１３を共晶接合する時のボールアップを防止するボールアップ防止層としての機能を有する。

本発明者は、図１Ａ，１Ｂに示すＬＥＤチップ１、サブマウント基板２を形成し、図１Ｃに示すように、フラックスを用いて共晶接合を行った。共晶接合の温度プロファイルは、図３Ａに示すように、昇温速度１１２℃／分、ピーク温度３０５℃、ピーク温度持続時間約５秒、降温速度９３．３℃／分とした。図１ＢのメッキしたＡｇ層２６の表面粗さの初期値は、Ｌｍ ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ０６０１‐１９８２）による算術平均粗さＲａ＝０．０７５μｍ、１０点平均粗さＲｚ＝０．４６μｍであった。

共晶接合後のＬＥＤチップ接合部外のサブマウント基板表面のＡｇ層２６の表面粗さは、Ｒａ＝約０．１μｍ、Ｒｚ＞２μｍとなった。Ａｇ層２６の表面粗さがかなり増加していることが判る。

共晶接合によって反射電極として機能するＡｇ層２６の表面粗さが増加すると、Ａｇ層２６の反射率が低下してＬＥＤからの発光の外部取り出し効率も低下してしまう可能性が高い。Ａｇ層２６の反射率の低下を抑制することが望まれる。共晶接合部外のＡｇ層の表面粗さが増加する原因として、共晶接合の熱処理の影響等が考えられる。一度に強い刺激を与えると大きな影響がある場合でも、弱い刺激を前もって与えると、より強い刺激に対する耐性が増すことも考えられる。

本発明者は、共晶接合前に、Ａｇ層２６をプリヒートするとどのような影響があるかを調べた。図１Ｃに示すように、ＬＥＤチップ１をサブマウント基板２上に重ねた状態で、共晶接合直前に、窒素雰囲気中で図２Ａに示すように、約１５０℃、３０分の一定温度のプリヒートを行い、その後共晶接合してみた。共晶接合後のＡｇ層２６の表面粗さは、Ｒａ＝０．０７６μｍとなった。プリヒートを行わない場合のＡｇ層２６の表面粗さＲａ＝０．１μｍと比べ、明らかな改良が見られ、共晶接合後の表面粗さは、共晶接合前の表面粗さと同等（約１％の増加、差が２％未満の場合を同等とする）であった。そこで更にプリヒートの条件を変化させてみた。一定温度のプリヒートと重ねてピーク状のプリヒートを与えることにより、条件設定の自由度が増加するであろう。一定温度のプリヒートを約１８０℃，約１２５秒に固定し，ピーク状プリヒートのピーク温度を幾つかに設定した。

図２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、実験したプリヒートの温度プロファイルを示す。図２Ｂは、約１８０℃、約１２５秒の定温プリヒートを与えた後、初期昇温速度３００℃/分、その後の昇温速度１０５℃/分で昇温し、ピーク温度約２６０℃で、約６秒保持し、その後初期降温速度１０６℃/分、その後の降温速度３６０℃/分、更に６８℃／分で降温するピークプリヒートを与える熱履歴である。図２Ｃは、約１８０℃、約１２５秒の定温プリヒートを与えた後、昇温し、ピーク温度約２９０℃で、約５秒保持し、その後降温するピークプリヒートを与える熱履歴である。図２Ｄは、約１８０℃、約１２５秒の定温プリヒートを与えた後、昇温し、ピーク温度約３０５℃で、約５秒保持し、その後降温するピークプリヒートを与える熱履歴である。図２Ｄの熱履歴のピーク温度３０５℃は、共晶接合の温度プロファイルのピーク温度３０５度と同じである。

図３Ｂは、各サンプルの共晶接合後の表面粗さＲａをまとめて示す表である。熱履歴を与えなかった場合は、前述の様にＡｇ層２６の表面粗さＲａは約０．１μｍであり、初期値の０．０７５μｍと比べると＋３３％の変化である。図２Ａの一定温度１５０℃、３０分のプリヒートを与えたサンプルの共晶接合後の表面粗さは、前述の様に＋１％の変化である。

図２Ｂの熱履歴（ピーク温度約２６０℃）を印加したサンプルの共晶接合後のＡｇ層２６表面粗さは、Ｒａ＝０．０４３μｍであった。表面粗さＲａは、初期値の約５７％（−４３％の変化）となり、表面粗さが減少して平坦性が大幅に向上したことが判る。図２Ｃの熱履歴（ピーク温度約２９０℃）を印加したサンプルの共晶接合後のＡｇ層２６の表面粗さは、Ｒａ＝０．０７２μｍであった。図２Ｂの場合と比べると、表面粗さは悪化しているが、それでも初期値の約９６％（−４％の変化）であり、初期状態と比較して表面粗さは減少している。図２Ｄの熱履歴（ピーク温度約３０５℃）を印加したサンプルの共晶接合後のＡｇ層２６表面粗さは、Ｒａ＝０．０９２μｍであった。熱履歴を印加しない場合の表面粗さＲａ＝約０．１μｍと比べれば、表面粗さは抑制されている。しかし、表面粗さＲａは初期値の約１２３%（＋２３％）であり、初期値より大きくなっている。

熱履歴のピーク温度を約２６０℃よりも増大するにつれ、表面粗さは悪化することが伺える。熱履歴のピーク温度は、共晶接合の温度プロファイルのピーク温度以下に設定することが好ましいと言える。熱履歴のピーク温度は、より好ましくは３００℃以下、更に好ましくは２９０℃以下であろう。但し、１５０℃以上であることが好ましい。

上述の実験結果から，反射金属層と共晶金属層を含んで共晶接合を行う場合に，反射金属層に共晶接合温度以下のピーク温度でプリヒートを行うことで，反射金属層の平坦性低下が抑制されることが判った。より好ましくは，共晶接合温度よりも５℃以上低いピーク温度でプリヒートを与える。

なお、ＬＥＤチップ１をサブマウント基板２上に重ねた状態でプリヒートを行ったが、ＬＥＤチップ１がない領域の反射金属層の面粗さは、ＬＥＤチップの影響を受けているとは考えにくい。サブマウント基板２単独でプリヒートを行っても同様の結果が期待できるであろう。

他の構成要件も種々に変更可能であろう。酸化シリコン膜を備えたシリコン基板でサブマウント基板を構成したが，サブマウント基板を導電性にしてもよい。サブマウント基板に反射金属層を形成すると共に、ＬＥＤチップのアノード電極を共晶材料で形成したが、アノード電極とは別に共晶材料層を用いてもよい。

図４Ａは，絶縁性サブマウント基板の代わりに導電性サブマウント基板を用いる場合を示す。たとえばｎ型またはｐ型不純物を高濃度に添加したＳｉで形成された導電性基板３１の両面に、Ａｕ層３２を蒸着し、窒素雰囲気下において、４００℃で合金化する。Ａｕ層３２の厚さは、たとえば１５０〜６００ｎｍである。合金化により、導電性基板３１とＡｕ層３２とは共晶化し、一体化され、オーミック接触を形成する。このため、Ａｕ層３２は導電性基板３１から剥離しない。なお、導電性基板３１は、Ｓｉ以外の材料、たとえばＣｕなど、導電性があり、熱伝導率が高く、Ａｕと合金化する材料で形成することができる。

一方のＡｕ層３２上にＴｉ層３３、Ｎｉ層３４、Ａｇ，Ａｌ等の反射金属層３５を、電子線加熱蒸着法（ＥＢ法）等により蒸着する。Ｔｉ層３３の厚さは、１００〜２００ｎｍ、Ｎｉ層３４の厚さは、５０〜１５０ｎｍ、反射金属層３５の厚さは、例えば０．６〜２μｍである。Ｎｉ層３４の代わりに、ＮｉＶ層を形成してもよい。同様のボールアップを防止する効果が得られるであろう。Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｇの金属積層を形成する場合を説明したが，Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｇ，ＴｉＷ／Ａｇ，Ｔｉ／ＮｉＶ／Ａｇ，Ｃｒ／ＮｉＶ／Ａｇ，Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｇＮｄＣｕ，Ｃｒ／Ｎｉ／ＡｇＮｄＣｕ，ＴｉＷ／ＡｇＮｄＣｕ，Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｇＢｉ，Ｃｒ／Ｎｉ／ＡｇＮｄＣｕ，ＴｉＷ／ＡｇＮｄＣｕ，Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｇＢｉ，Ｃｒ／Ｎｉ／ＡｇＢｉ，ＴｉＷ／ＡｇＢｉ等の金属積層を用いることもできるであろう。Ａｇ層の代わりに、Ｓｅ，Ｐｄなどを含むＡｇ合金層を用いることもできる。成膜法としては，スパッタリング，ＥＢ蒸着，メッキ，抵抗加熱等の中から適切なものを用いることができる。

図４Ｂは、ＬＥＤチップの他の構成例を示す。サファイア基板４１の上にエピタキシャル成長できる温度よりも低温でＧａＮ系窒化物半導体のバッファ層４２を成長し，アニ−ル処理を行った後，その上にｎ型ＧａＮ系窒化物半導体層４３をエピタキシャル成長する。ｎ型窒化物半導体層４３の上に，バリア層間に複数のウェル層Ｗを挟んだ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の窒化物半導体活性層４４を形成し，その上にｐ型窒化物半導体層４５を形成する。ｎ型層に電極を形成するため、ｐ型層４５、ＭＱＷ構造４４の一部をエッチングして除去する。その後，ｐ型層４５、ｎ型層４３に電極を形成する。ｎ型不純物としては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃ，Ｓｅ，Ｔｅ等を用いることができる。ｐ型不純物としては、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなどを用いることができる。ＭＱＷ構造は、たとえば窒化物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの組成ｘを選択することにより，ウェル層とバリア層とを形成することができる。

図４Ｂに示すＬＥＤチップを用いる時は、サブマウント基板上に配線を形成する。例えば、特願２００４‐１４１３８０号の[発明を実施するための最良の形態]の欄、特に図４−６，図７及びそれらの関連記載に開示されているようなサブマウント基板を用いることができる。

なお、窒化物半導体を用いたＬＥＤを例にとって説明したが、ＬＥＤは窒化物半導体に限られない。反射金属層と共晶接合するＬＥＤであれば実施例同様の効果が期待できる。例えば、特許文献１，２の実施態様の欄に記載されたＧａＡｓ，ＩｎＰを基板とするものであってもよいであろう。

以上実施例に沿って，本発明を説明したが，本発明はこれらに限定されるものではない。例えば種々の変更，置換，組み合わせなどが可能なことは当業者に自明であろう。

図１Ａ〜１Ｃは、サブマウント基板上にＬＥＤチップを搭載した半導体発光装置の製造工程を示す断面図である。 図２Ａ〜２Ｄは，プリヒートの温度プロファイルを示すグラフである。 図３Ａは，共晶接合の温度プロファイルを示すグラフ，図３Ｂは，比較例と実施例における共晶接合後の反射金属層表面の粗さを示す表である。 図４Ａ，４Ｂは，変形例によるサブマウント基板及びＬＥＤチップを示す断面図である。

符号の説明

１１ ＳｉＣ基板
１２ 窒化物半導体層
１３ アノード電極（Ａｕ−Ｓｎ共晶層）
１４ カソード電極
２１ Ｓｉ基板
２２ 酸化シリコン層
２３ Ｔｉ層
２４ Ｃｕ層
２５ Ｎｉ層
２６ 反射金属層（Ａｇ層）
３１ Ｓｉ基板
３２ Ａｕ層
３３ Ｔｉ層
３４ Ｎｉ層
３５ 反射金属層
４１ サファイア基板
４２ （低温成長）窒化物半導体バッファ層
４３ ｎ型窒化物半導体層
４４ 窒化物半導体ＭＱＷ構造
４５ ｐ型窒化物半導体層

Claims (12)

1. 共晶電極層を有するＬＥＤチップを準備する工程と、
   Ａｇを主成分とする反射金属層を含む積層電極層を形成したサブマウント基板を準備する工程と、
   前記積層電極層を有するサブマウント基板に、共晶接合のピーク温度以下の熱履歴を印加する工程と、
   前記熱履歴を印加したサブマウント基板上に、共晶電極層を有するＬＥＤチップを載置し、共晶接合を行う工程と、
   を有する半導体発光装置の製造方法。
2. 前記熱履歴印加後の積層電極層表面の算術平均粗さＲａが熱履歴印加前のＲａと同等以下である請求項１記載の半導体発光装置の製造方法。
3. 前記熱履歴が，一定温度の定温プリヒートとピーク状のピークプリヒートの組み合わせである請求項１または２記載の半導体発光装置の製造方法。
4. 前記熱履歴のピーク状プリヒートのピーク温度が共晶接合のピーク温度より５℃以上低い請求項３記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記共晶接合が、ピーク温度３００℃以上のピーク状温度プロファイルを有する請求項３または４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記反射金属層がＡｇまたはＡｇ合金で形成され、前記熱履歴のピーク状プリヒートのピーク温度が１５０℃以上、３００℃以下である請求項３〜５のいずれか１項記載の半導体発光装置の製造方法。
7. 前記熱履歴のピーク状プリヒートのピーク温度が２９０℃以下である請求項６記載の半導体発光装置の製造方法。
8. 前記積層電極層が、ボールアップ防止層を含む請求項１〜７のいずれか１項記載の半導体発光装置の製造方法。
9. 前記ボールアップ防止層が、Ｔｉ、Ｃｒ，またはＴｉ，Ｃｒのいずれか一方を含む合金の密着層を含む請求項８記載の半導体発光装置の製造方法。
10. 前記ボールアップ防止層が前記密着層の上方に形成されたＮｉ、またはＮｉを含む合金の上層を含む請求項９記載の半導体発光装置の製造方法。
11. 前記ＬＥＤチップが、ＳｉＣ基板と、その上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層を有する、請求項１〜１０のいずれか１項記載の半導体発光装置の製造方法。
12. 前記熱履歴を印加する工程を、前記サブマウント基板と前記ＬＥＤチップとを重ね合わせた状態で、共晶接合工程の直前に行う、請求項１〜１１のいずれか１項記載の半導体発光装置の製造方法。

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