JP2009259904A

JP2009259904A - 窒化物系化合物半導体発光素子

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Publication number: JP2009259904A
Application number: JP2008104673A
Authority: JP
Inventors: Osamu Jinushi; 修地主
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】本発明は、窒化物系化合物半導体のクラックの発生を防止することのできる発光素子の提供を課題とする。
【解決手段】本発明の窒化物系化合物半導体を用いた発光素子は、支持基板上に、支持基板側から順に、金属膜、開口部を有する保護膜、オーミック性電極、窒化物系化合物半導体層、負電極が設けられ、該負電極と反対側の支持基板表面に正電極が配置された発光素子であって、該窒化物系化合物半導体層は支持基板側から順にｐ型層、活性層およびｎ型層を有しており、前記保護膜とオーミック性電極は少なくとも負電極と重なる領域に配置されており、前記保護膜の開口部は前記負電極と重ならない領域だけに設けられることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子に関する。詳しくは、窒化物系化合物半導体を用いた上下より電極を取り出せる構造を有する発光素子であって、製品の信頼性を向上すると共に、製造時の窒化物系化合物半導体素子のクラック発生を防止でき、歩留まりの向上が可能となる発光素子に関する。

従来から、上下より電極を取り出せる構造を有する窒化物系化合物半導体を用いた発光素子及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された窒化物系化合物半導体発光素子は、図１５に示すように、窒化物系化合物半導体の成長用基板となる絶縁性基板上にｎ型層３１、活性層（発光層）３２、Ｐ型層３３が順次成長された窒化物系化合物半導体層３を形成した上で、支持基板となる導電性基板２１を第１のオーミック性電極７１と第２のオーミック性電極７２を利用して接着した後、前記絶縁性基板の一部、又は全部を除去して、窒化物系化合物半導体層３を露出させることによって得られ、露出させた窒化物系化合物半導体層３と導電性基板２１とに、それぞれ対向する電極として、負電極（ｎ型電極）８と正電極（ｐ型電極）９とが設けられている。また、第１のオーミック性電極は、活性層からの発生光をｎ型層３１側へ反射させる目的を持っている。

しかし、かかる従来の窒化物系化合物半導体発光素子は、第１のオーミック性電極が素子端面にて露出することから、特にＡｇなどの反射率の高い金属膜を使用する場合、電極劣化による素子特性の悪化や金属マイグレーションによる信頼性の低下につながる可能性がある。
特開２０００−２７７８０４号公報

上記問題点を解決する為には、オーミック性電極の端面を保護膜で覆うことにより素子端面で露出させない構造とすることが考えられる。このような構造とすることにより、オーミック性電極膜の劣化や金属マイグレーションといった信頼性不良を防止することが可能となる。しかしながら、この際、接着する支持基板と導通を取る為にはオーミック性電極上で保護膜の開口部を設ける必要があり、この開口部の段差が支持基板貼りつけ時のボイドの原因となり、窒化物系化合物半導体の成長用基板の除去時や、支持基板の貼り付け時、負電極へのボンディング時等において窒化物系化合物半導体にクラックを発生させる可能性がある。

したがって、本発明は、窒化物系化合物半導体のクラックの発生を防止することのできる発光素子の提供を課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行なった結果、保護膜の開口部を負電極と重ならない領域のみに配置させることで、ボイドが発生しても負電極へのワイヤー打ちの際のクラック防止が可能となることを見出し、本発明に到達した。さらに、保護膜の開口部の形とサイズの見極めにより、ボイド面積の低減効果が高まり、その結果、窒化物系化合物半導体成長用基板の除去もしくは支持基板の貼り付け時のクラック防止効果が高められ、歩留まりが向上する。

すなわち、本発明の窒化物系化合物半導体を用いた発光素子は、支持基板上に、支持基板側から順に、金属膜、開口部を有する保護膜、オーミック性電極、窒化物系化合物半導体層、負電極が設けられ、該負電極と反対側の支持基板表面に正電極が配置された発光素子であって、該窒化物系化合物半導体層は支持基板側から順にｐ型層、活性層およびｎ型層を有しており、前記保護膜とオーミック性電極は少なくとも負電極と重なる領域に配置されており、前記保護膜の開口部は前記負電極と重ならない領域だけに設けられることを特徴とする。

ここで、上記保護膜の開口部は負電極と重ならない領域のみに設けられるが、本発明において「負電極と重ならない領域」とは、発光素子において各材料が積層される方向、すなわち負電極側または正電極側から見て、負電極と重なっていない保護膜の部分を意味する。このような領域のみに保護膜開口部を設ける理由は、前期金属膜の形状は前記保護膜の開口部段差に沿った形状になりやすく、支持基板を接着した際には、この保護膜の開口部段差に起因したボイド発生の原因となりやすく、負電極へワイヤーを打った時の衝撃で窒化物系化合物半導体へのクラックが発生することを回避する為である。

また、前記保護膜はオーミック性電極の側面を覆っていることが望ましい。特にＡｇなどの金属膜を含有する場合、金属膜が露出している状態では、Ａｇ膜の劣化や金属マイグレーションが起こりやすく、信頼性を低下させる懸念がある為である。

また、前記保護膜の開口部は、オーミック性電極上にのみ配置されていることが好ましい。オーミック性電極をｐ型層上の一部に形成する場合、ｐ型層にも保護膜が形成されることを意味する。この理由は、後に形成する金属膜の拡散防止の為である。

また、前記保護膜の開口部は、例えば、図５に示すようにオーミック性電極上の負電極と重ならない領域に沿って形成させるか、図１４に示すような孤立ドット形状の集合体とすると良い。尚、形状自体については、特に限定せずに、丸や四角や三角などとして良い。この時、保護膜の開口部は、その最短径が１０μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは３μｍ以下である。ここで、保護膜の開口部の「最短径」とは、開口部が図１４に示すような孤立ドット形状等である場合には、開口部の重心を通る直径のうち最も短い径の長さを意味し、開口部が図５に示すような環状の溝形状である場合には、該溝形状の幅を意味するものとする。

上記保護膜の開口部の最短径を一定以下とする理由は、保護膜の開口部でのボイド面積を減少させる為であり、このボイド面積が大きいと支持基板の接着や成長基板除去の際に、窒化物系化合物半導体層にてボイドに起因したクラックが発生する。

また、前記保護膜は発光素子の絶縁性膜として用いられる種々の保護膜を用いることができ、例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳＯＧまたはポリイミドからなる膜が挙げられる。

また、前記オーミック性電極は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、ＰｄまたはＡｌのいずれか１つからなる金属膜を少なくとも１つ含有することが望ましい。ここで、オーミック性電極は、ｐ型層とのオーミック性接触を得る目的と、活性層から放出された光をｎ型層側へ反射させる目的を兼ねている。

また、前記ｎ型層の負電極を形成する側の面の少なくとも一部に表面凹凸を有することが好ましい。これにより、活性層から放出された光を窒化物系化合物半導体外部に効率よく取り出すことができる。表面凹凸は、たとえば、ドライエッチング、ＫＯＨ等を用いたウエットエッチング、ナノインプリントなどにより形成することができる。また、ｎ型層が当該表面凹凸を有する場合、負電極は、当該表面凹凸上に形成されてもよく、該凹凸が形成されていない表面上に形成されてもよい。表面凹凸形成による上記効果を得るためには、ｎ型層は、負電極が形成される領域以外の表面上に凹凸を有していることが好ましい。

本発明で用いる窒化物系化合物半導体としては、ｎ型層、活性層、ｐ型層を有する種々公知のものを用いることができるが、活性層にＭＱＷ（多重量子井戸：Multi Quantum Well）を有する窒化物系化合半導体を用いることが好ましい。

上記の様に、本発明の発光素子によれば、不良品の発生を防止し製品の信頼性を向上させることができると共に、窒化物系化合物半導体の成長用基板の除去時、支持基板の貼り付け時および負電極へのボンディング時における、窒化物系化合物半導体へのクラックを防止することができるため、窒化物系化合物半導体の製造における歩留まりを向上させることが可能となる。

本発明の窒化物系化合物半導体を用いた発光素子は、ｐ型層上に形成されたオーミック性電極に保護膜を形成するが、保護膜の開口部を負電極と重ならない領域のみに配置し、保護膜の開口部のサイズをできるだけ小さくしている。この様な構造をとることで、窒化物系化合物半導体成長用基板の除去もしくは支持基板の貼り付け時、及び負電極へのボンディング時における窒化物系化合物半導体へのクラックを防止することができる。

（実施形態１）
本発明の第一の実施形態における窒化物系化合物半導体発光素子を、図１に示す。

本実施形態の窒化物系化合物半導体を用いた発光素子は、図２〜図１４を参照して、以下のように製造される。

図２を参照して、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属気相成長）法を用いて、サファイア基板１１上に、バッファ層１２、ｎ型層３１、活性層３２、ｐ型層３３、ｐ型層とのコンタクト層６を順次積層する。

次に、図３を参照して、ＭＯＣＶＤ装置から前記ウエハを取り出し、前記ｐ型層とのコンタクト層６上に、Ｐｄ層（１５Å）、Ａｇ層（３００ｎｍ）、Ｎｉ−Ｔｉ層（１００ｎｍ）を順次形成した上で、フォトマスクによるエッチングを行い、Ｐｄ層、Ａｇ層およびＮｉ−Ｔｉ層からなるオーミック性電極７を形成する。ここで、Ｐｄ層は、ｐ型層とのコンタクト層６とのオーミック性接触を得る為の膜であり、Ａｇ層は活性層から放出された光をｎ型層側へ反射させる為の膜となる。オーミック性電極７の形成後は、フォトマスクは除去する。尚、オーミック性電極については、これに限定されるものでなく、例えば、Ｐｄ層の代わりに、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等としても良く、Ａｇ層の代わりにＡｇ−Ｎｄ、ＡＰＣ膜等を構成しても良い。また、反射膜となる金属膜でｐ型層とのオーミック性接触を得られる場合は、ｐｄ層などのオーミック性金属膜を形成する必要はない。

次に図４を参照して、オーミック性電極７上に保護膜４を形成した上で１μｍ厚さのフォトマスクを用いた保護膜のエッチングを行い、保護膜の開口部４１を形成する。この後フォトマスクを除去する。ここで、保護膜としては、例えば酸化膜のＳｉＯ₂膜や、ＳｉＮ膜、ＳＯＧ膜、ポリイミド膜等を用いることができる。また、保護膜のエッチングについては、ウエットエッチングもしくはドライエッチングのどちらの手法を用いても良い。

ここで、保護膜残し部４２を形成する理由、つまりは保護膜の開口部４１を負電極８と重ならない領域にのみ配置する理由について記載する。この後に金属膜Ａ５１を形成するが、金属膜Ａの形状は酸化膜の段差に沿った形状になりやすく、後述する支持基板を接着した際には保護膜の開口部形成による段差がボイド発生につながり、負電極にワイヤーを打った時の衝撃で、窒化物系化合物半導体層３にクラックが発生することを防止する為である。また、保護膜の開口部４１については、オーミック性電極７上に構成すれば良い。また、図５において、保護膜４の形成後の上面図を載せているが、保護膜の開口部は負電極と重ならない領域に沿って形成すれば良く、形状については図５のようなリング形状に限定される訳でなく、四角や三角などの任意の形状とすることができる。

また、保護膜の開口部４１のサイズについては、その最短径（図５に示す保護膜の開口部４１において、その溝形状の幅）が１０μｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは３μｍ以下である。この理由については、開口部のサイズを小さくすることで、ボイド面積（保護膜の厚さと保護膜の開口部に応じる）を減少させる為である。このボイド面積が大きいと支持基板の接着や成長基板除去の際の、半導体部でのクラック発生の原因となる。

次に、図６を参照して、Ｔｉ層（１０００Å）、Ｐｔ層（３００Å）、Ａｕ層（３０００Å）からなる金属層Ａ５１を形成する。尚、該金属層Ａは、支持基板２との接着の役割を有している。

次に図７を参照して、厚さ１００μｍの導電性基板２１上に、金属層Ａ５１との接着膜となる金属層Ｂ２２として、ＴｉＮ層（２０００Å）、Ａｕ層（３μｍ）、Ａｕ−Ｓｎ層（１０００Å）を順次形成させる。導電性基板２１と金属膜Ｂ２２を合わせて、支持基板２としている。尚、導電性基板としては、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰおよびＳｉＣからなる群から選ばれた材料を用いることができる。

次に図８を参照して、金属層Ａ５１と金属層Ｂ２２の接触面において、Ａｕ−Ｓｎ共晶等による接着により支持基板が貼り合わされる。尚、この状態で金属膜Ａ５１と金属膜Ｂ２２が接着されて金属膜５となる。

次に図９を参照して、サファイア基板１１をレーザー剥離による除去を行うことでバッファ層１２を露出させる。塩酸系ウエットエッチングにてＧａ除去を行った後、ドライエッチングにてｎ型層３１を露出させる。

次に図１０を参照して、前記ｎ型層３１表面上に、レジストマスク（厚さ１μｍ）を形成し、ドライエッチングにより、表面凹凸３１１を形成する。ドライエッチング後は、剥離液によるレジスト除去を行う。尚、表面凹凸の形成方法については、ドライエッチングの他に、ＫＯＨなどのウエットエッチング、ナノインプリントによる手法を用いても良い。ｎ型層３１上の表面の少なくとも一部に凹凸を有することで、活性層３２から放出された光を窒化物系化合物半導体層の外部に効率よく取り出すことができる。また、ｎ型層３１が表面凹凸３１１を有する場合、負電極８は、当該表面凹凸３１１上に形成されてもよく、該凹凸が形成されていないｎ型層３１表面上に形成されてもよい。表面凹凸３１１形成による上記効果を得るためには、ｎ型層３１は負電極８が形成される領域以外の表面上に表面凹凸３１１を有していることが好ましい。

次に図１１を参照して、前記ｎ型層の表面凹凸３１１上に、負電極８を形成する。
次に図１２を参照して、支持基板２側に、正電極９を形成する。

最後にチップ分割を行うと、本発明の発光素子が作製される。
（実施形態２）
実施形態１において図４の工程にあたり、保護膜の開口部４１を図１３、図１４の様な独立ドット形状の集合体構造とすること以外は、実施形態１と同様にして、本発明の発光素子が作製される。ここで、保護膜の開口部４１のサイズについては、その最短径（図１４に示す保護膜の開口部４１において、その各ドットの直径）が１０μｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは３μｍ以下である。この理由については、実施形態１と同様である。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

上記実施形態１と同様に本発明の発光素子を作製した。このとき、保護膜の材料としてはＳｉＯ₂を使用し、膜厚が１μｍまたは１．３μｍの保護膜を作製した。また、保護膜に設ける環状の開口部はその幅が３μｍとなるように作製した。該発光素子の製造時において、窒化物系化合物半導体素子のクラックは発生しなかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施形態における発光素子の断面模式図である。本発明の第１の実施形態における発光素子の製造工程図である。図２に続く製造工程図である。図３に続く製造工程図である。図４の上面図である。図４に続く製造工程図である。図６に続く製造工程図である。図７に続く製造工程図である。図８に続く製造工程図である。図９に続く製造工程図である。図１０に続く製造工程図である。図１１に続く製造工程図である。本発明の第２の実施形態における発光素子の製造工程図である。図１３の上面図である。従来の発光素子の断面模式図である。

符号の説明

１１絶縁性基板、１２バッファ層、２支持基板、２１導電性基板、２２金属膜Ｂ、３窒化物系化合物半導体層、３１ｎ型層、３１１ｎ型層の表面凹凸、３２活性層、３３ｐ型層、４保護膜、４１保護膜の開口部、４２保護膜残し部、５金属膜、５１金属層Ａ、６ｐ型層とのコンタクト層、７オーミック性電極、７１第１のオーミック性電極、７２第２のオーミック性電極、８負電極、９正電極。

Claims

支持基板上に、支持基板側から順に、金属膜、開口部を有する保護膜、オーミック性電極、窒化物系化合物半導体層、負電極が設けられ、該負電極と反対側の支持基板表面に正電極が配置された発光素子であって、
該窒化物系化合物半導体層は支持基板側から順にｐ型層、活性層およびｎ型層を有しており、
前記保護膜とオーミック性電極は少なくとも負電極と重なる領域に配置されており、
前記保護膜の開口部は前記負電極と重ならない領域だけに設けられることを特徴とする発光素子。
前記保護膜がオーミック性電極の側面を覆っている、請求項１記載の発光素子。
前記保護膜の開口部がオーミック性電極と重なる領域にのみ配置されている、請求項１記載の発光素子。
前記保護膜の開口部の最短径が１０μｍ以下である、請求項１記載の発光素子。
前記保護膜の開口部が、オーミック性電極上の負電極と重ならない領域に沿って形成されている、請求項１記載の発光素子。
前記保護膜の開口部が、独立ドット形状の集合体である、請求項１記載の発光素子。
前記保護膜が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳＯＧまたはポリイミドからなる膜である、請求項１記載の発光素子。
前記オーミック性電極は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、ＰｄまたはＡｌのいずれか１つからなる金属膜を少なくとも１つ含有する、請求項１記載の発光素子。
前記ｎ型層の負電極を形成する側の面の少なくとも一部に表面凹凸を有する、請求項１記載の発光素子。