JP2010161160A

JP2010161160A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2010161160A
Application number: JP2009001711A
Authority: JP
Inventors: Manabu Harada; 学原田; Kazuya Takada; 和哉高田; Toru Kinoshita; 亨木下; Reo Yamamoto; 玲緒山本
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-22

Abstract

【課題】半導体発光素子を形成する半導体チップとサブマウントとが半田層により接合され、高い放熱効率および接触抵抗の増加を抑制した半導体発光素子を提供する
【解決手段】半導体チップ（I）と電極層を有するサブマウント（II）とを基本の構成要素とする半導体発光素子（III）において、半導体チップのｐ電極とサブマウントの電極層とが金と錫とからなる合金などの半田を介して接合され、しかも、ｐ電極と半田層との間にニッケルやアルミニウムなどのバリア金属層を形成することで、接触抵抗の増加原因となる半田層中の金属拡散を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップとサブマウントが接合された半導体発光素子に関する。

窒化ガリウムに代表されるIII族窒化物半導体は可視領域から近紫外領域の発光波長を有する発光素子として実用化されており、さらなる高効率化、また発光波長の短波化に向け広く研究されている発光材料である。

半導体発光素子は、半導体積層部中のｎ型層およびｐ型層に挟まれた発光層に電流を注入することで発光する。この電流は、ｎ型層上のｎ電極とｐ型層上のｐ電極との間に電圧をかけることにより注入される。しかし、III族窒化物半導体発光素子の発光効率は低いため発光に関与する電流はわずかであるため、消費する電力の大半は熱に変換されてしまう。つまり、半導体発光素子は動作時に多量の熱を発生している。半導体発光素子は熱により発効効率が低減し、また素子寿命が短くなるため、何らかの方法で放熱する必要がある。一般には、半導体発光素子は半導体チップだけでなく放熱基板であるサブマウントを含んだ構造をとっている。

これら半導体チップとサブマウントとの接合においては、一般に金バンプ（特許文献１参照）や半田（特許文献２参照）が使用されている。バンプとは、接合を目的とした直径が数十〜数百μｍのボール状の金属のことであり、バンプによる接合とは、接合部となる電極面上に複数のバンプを形成した後、接合部に超音波を印加して圧着接合する技術である。接合用半田としては金と錫、銀と錫および鉛と錫からなる合金が挙げられるが、特に、耐食性に優れ抵抗率が小さいなどの理由により金と錫の合金が一般的に使用されている。

金バンプによる接合は、前述の通り電極金属との圧着接合であるため、比較的容易に確実な導通を確保することができる。しかし、バンプ部での局所的な接合であり、バンプ間に間隙ができてしまうため、電極全面で接合する場合と比較して放熱特性は劣る。そのため、バンプ間の間隙を樹脂などの絶縁物で充填して熱伝導特性の向上が図られている。

一方半田を用いて接合する場合、全面で接触する構造は容易に作製できるため、バンプによる接合と比較して良好な放熱特性が得られる。しかし、十分な接合強度と低い接合抵抗を両立するためには、半田接合時の温度や雰囲気、接合時間などを精密に制御する必要がある。つまり、容易に導通を確保できるバンプ接合と比較して取り扱いが難しくなる。

また、半導体発光素子のｎ電極作製時における接触抵抗の増加を抑制する技術として、コンタクト層、バリアメタル層、金層がこの順で積層された電極の発明が知られている（特許文献３参照）。しかしながら、この発明は電極構造に関わる発明であり、半導体チップとサブマウントの接合技術並びに接合によって生じる問題点については何ら開示がない。

特開２００７−３０６０３５号公報特開２００７−３２９４６５号公報特開２００５−３５４０４０号公報

本発明者らは、金と錫の合金を用いて半導体チップとサブマウントの接合を試みたところ、接合によりｐ電極の接触抵抗が増加する問題が生じた。さらに、上記発光素子は連続して動作させることにより接触抵抗がさらに増大し、最終的にｐ電極が絶縁化してしまう問題が生じた。接触抵抗の増加は発光効率の低減を招くため、その抑制は半導体発光素子分野において重要な課題となる。

本発明は接合に半田を用いて高い放熱効率を維持し接触抵抗の増加を抑制した、半導体チップとサブマウントとが接合された半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、半導体チップとサブマウントの接合状態での接触抵抗の増加原因について検討した結果、半田金属中の錫が半導体チップのｐ電極中に拡散し接触抵抗が上昇していること、この錫の拡散は接合形成時だけでなく発光動作時にも生じていることをつきとめた。そして、半導体発光素子中の接触抵抗の増加を抑制する半田接合について鋭意検討を重ねた結果、ｐ電極と半田層との間にバリア金属層を形成することで錫の拡散を抑制できることを見出した。

即ち、本発明は、基板と、該基板上に形成されるｎ型層およびｐ型層を含む複数の窒化物半導体からなる半導体積層部と、該半導体積層部中のｎ型層およびｐ型層の上面に直接形成されるｎ電極およびｐ電極からなる半導体チップ（I）と、電極層を有するサブマウント（II）とを基本の構成要素とし、前記ｎ電極およびｐ電極と前記サブマウントの電極層とが半田層を介して接合された半導体発光素子（III）において、前記ｐ電極と半田層との間にバリア金属層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子（III）である。

本発明の半導体発光素子は、半導体チップとサブマウントとが半田層を介して接合されているため、放熱効率を高くすることができる。また、ｐ電極と半田層間に設けられたバリア金属層によりｐ電極内への錫の拡散による接触抵抗の上昇を抑制することができる。そのため、接合による半導体発光素子の発光効率の低減を抑制できると共に、素子寿命の低下を抑制することができる。

本図は、本発明で作製した代表的な半導体発光素子の概略図である。

本発明の代表的な半導体発光素子の構造を図１に示す。本発明の半導体発光素子（III）は、半導体チップ（I）とサブマウント（II）が、半田層およびバリア金属層を介して接合されている。

半導体チップ（I）は基板上に形成された半導体積層部と、半導体積層部上に形成されたｎ電極およびｐ電極からなる。

半導体積層部は、基板と、III族窒化物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}、ｘ＋ｙ≦１）で形成された発光素子層により構成される。発光素子層は発光素子の構成要素となるｎ型伝導層、発光層、ｐ型伝導層がこの順に積層された構造が基本的であるが、III族窒化物半導体層の結晶品質を向上させるために、基板とｎ型伝導層の間にバッファ層を設けることもできる。また、半導体積層部とｐ電極の接触抵抗を低減するため、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を設けることもできる。

基板としては、III族窒化物半導体と同じ六方晶あるいは六方晶に相当する面を持つこと、熱膨張係数が近いこと、高温でも安定であることから、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、Ｓｉ等が用いられる。これら基板は高品質な半導体結晶を得るためには単結晶であることが好ましい。また、該基板の厚みは特に限定されないが、ハンドリングしやすい３００〜６００μｍが好ましい。

バッファ層は、基板とIII族窒化物半導体の格子定数差、熱膨張係数差から生じた応力による結晶の歪みを緩和するために導入される。また、バッファ層の材料や構造は、バッファ層上に積層される発光素子構造の結晶品質を向上させうる構造や結晶性を有していれば特に限定されるものではなく、たとえば超格子構造や低温バッファ層など、公知の技術を用いることができる。

ｎ型伝導層は、ｎ型不純物を積層結晶中にドーピングすることで作製される。III族窒化物半導体のｎ型不純物には珪素、酸素および炭素などを用いることができるが、ｎ型不純物元素のイオン化エネルギーが小さく、ドーピング時の濃度の制御が容易であるという理由から珪素を使用するのが好ましい。

発光層は多重量子井戸を形成する積層構造をとっている。多重量子井戸構造とは、バンドギャップエネルギーの大きい障壁層とバンドギャップエネルギーの小さい井戸層を交互に複数積層した構造である。この構造をとることで、動作時に供給される電子および正孔が井戸層に集中し、発光効率が増大させることが可能となる。

ｐ型伝導層は、ｐ型不純物を積層結晶中にドープすることで作製される。III族窒化物半導体のｐ型不純物にはベリリウム、マグネシウム、カルシウム、亜鉛およびカドミウムなどを用いることができるが、ｐ型不純物元素のイオン化エネルギーが小さく、ドーピング時の濃度の制御が容易であるという理由からマグネシウムを使用するのが好ましい。ｐ型コンタクト層は、たとえば電気伝導性の高いｐ型ＧａＮ層からなり、ｐ電極との接触抵抗を低減するために作製される。

半導体積層部の作製方法は特に限定されるものではないが、高品質な半導体結晶が得られること、積層膜厚を制御しやすいことから、公知のＣＶＤ法、分子線エピタキシー法が好ましい。

具体的に半導体積層部を例示すると、サファイア基板、サファイア基板上に作製されたＡｌＮ層、Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎ／ＡｌＮ超格子構造からなるバッファ層、ｎ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ伝導層、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ発光層（０≦ｘ≦１）、ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ伝導層、ｐ型ＧａＮコンタクト層からなる半導体積層部が挙げられる。

発光層中の多重量子井戸を形成する障壁層および井戸層のＡｌ_ｘＧａ_1−ｘＮの組成ｘは目的とする発光波長により任意に決定される。電極形成時には半導体積層部中のｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ伝導層の上面を露出させるため、エッチングによりＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ発光層、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ伝導層、ｐ型ＧａＮコンタクト層の一部の領域が除去される。エッチングには半導体積層部へのダメージが小さいこと、エッチング厚を制御しやすいことから、公知の方法であるリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）や誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）が用いられる。ｎ電極は露出されたｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ伝導層上に形成され、ｐ電極はｐ型ＧａＮコンタクト層上に形成され半導体チップ（I）となる。ｐ電極はニッケル、パラジウム、銀、亜鉛等の材料が公知であるが、特に熱処理を施してもはがれにくく密着性の高いニッケルが好ましい。ｐ電極の作製には真空蒸着等の公知の方法を用いればよい。

サブマウント（II）は、熱伝導率が高い絶縁性材料と絶縁性材料上に形成された電極層とからなる。絶縁性材料として、ＡｌＮ、ＳｉＣ、アルミナセラミック等が用いられるが、放熱性の観点からＡｌＮが好適に用いられる。

サブマウント（II）の電極層は絶縁性材料の上に形成されている。電極層としては、半導体チップ（I）のｎ電極およびｐ電極のそれぞれと接合するため、絶縁性材料上に対となる２つの金属膜（１２ａ、１２ｂ）が形成されている。これら２つの金属膜は、同種の材料を用いても良いし、異種の材料を用いても良い。電極層は、チタン、モリブデン、タンタル等の一般的な活性金属層、白金層および金層を絶縁性材料上にこの順で積層した構造をとる金属膜からなる。活性金属層は絶縁性材料との密着のため、白金層は活性金属と金が拡散を抑制するため、金層は半田層との良好な接着を確保するために積層される。電極層の作製には真空蒸着等の公知の方法を用いればよい。

半田層はサブマウント（II）の電極層上に形成される。サブマウント（II）上に２つの電極層が形成されているが、これら電極層上に形成する半田層は、同種の材料を用いても良いし、異種の材料を用いても良い。半田層は金と錫の合金、銀と錫の合金、鉛と錫の合金等が使用される。耐食性に優れ抵抗が小さいことから金と錫の合金が望ましく、特に当該合金の金の組成を６０〜８０質量％とすることが、半田の融点が低く、かつ錫の拡散をより抑制できる点で好ましい。半田層の厚さは、薄過ぎると接着強度が低下し、厚過ぎると電極部外にも溶出して短絡する傾向にあるため２．０〜５．０μｍが好ましい。特に良好な導通を確保するため３．０〜４．０μｍであることが好ましい。半田層の作製には真空蒸着等の公知の方法を用いればよい。

バリア金属層は半導体チップのｐ電極上に形成される。このバリア金属層とｐ電極との密着性を高めるため、通常は、まずｐ電極上にチタン、モリブデン、タンタル等からなる一般的な活性金属層を形成した後バリア金属層を形成し、更に該バリア金属層の上に金層を形成する。バリア金属層としては、体積抵抗率の点からニッケルおよびアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属により形成されることが望ましい。このバリア金属層は、単層で用いても良いし複層にして用いても良い。バリア金属層の作製には真空蒸着等の従来公知の方法が採用される。

バリア金属層が形成された半導体チップ（I）と、半田層が形成されたサブマウント（II）との接合には、フリップチップボンダ等を用いた公知の方法で行われる。接合方法は、半導体チップ（I）を真空吸着によりコレットに固定し、次いでサブマウント（II）と位置合わせをして接触させた後、荷重を印加して２５０〜３５０℃に加熱し、半田層を溶かして固着接合を行う。金属の酸化を抑制するため、加熱は不活性ガス雰囲気下で行うことが望ましい。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明するが、これら実施例に何ら限定されるものではない。

実施例１
厚さ４３０μｍのサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法により半導体積層部であるＡｌＮ層を１μｍ、Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎ／ＡｌＮ超格子構造からなるバッファ層、ｎ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ伝導層を１μｍ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ発光層（０≦ｘ≦１）、ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ伝導層を１００ｎｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層を２００ｎｍ形成した。作製した半導体積層部を窒素雰囲気下で８００度に２０分間保持し、活性化アニールを行った。この半導体積層部の一部をＩＣＰによりエッチングし、ｎ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ伝導層の表面を露出させた。電極は真空蒸着により形成した。ｎ電極は、チタン層を２０ｎｍ、アルミニウム層１００ｎｍ、チタン層２０ｎｍ、および金層５０ｎｍをこの順で積層した。真空蒸着における真空度は１．０×１０^−４Ｐａとした。その後、ｎ電極を窒素雰囲気下１０００℃で１分間熱処理し、オーミック電極を形成した。ｐ電極は、ニッケル層を２０ｎｍおよび金層５０ｎｍをこの順で積層した。真空蒸着における真空度は１．０×１０^−４Ｐａとした。その後、窒素雰囲気下、５００℃で２分間熱処理し、オーミック電極を形成した。電極形成後、ダイサーにより５００μｍ角の半導体チップを作製した。また、サブマウントにはＡｌＮを用い、先述の電極と同様に真空蒸着により電極層および半田層を形成した。電極層はチタン層６０ｎｍ、白金層２００ｎｍおよび金層６００ｎｍをこの順で積層した。半田層は電極層上に形成し、金の組成が７０質量％である金と錫の合金を３．５μｍ積層した。上記の半導体チップとサブマウントとをフリップチップボンダにより窒素雰囲気下で３００℃に加熱し固着接合を行った。

実施例２
半田層の金の組成を１０質量％とした他は、実施例１とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

実施例３
半田層の金の組成を５０質量％とした他は、実施例１とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

実施例４
半田層の金の組成を６０質量％とした他は、実施例１とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

実施例５
半田層の金の組成を８０質量％とした他は、実施例１とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

実施例６
バリア金属層として順にチタン層を２０ｎｍ、アルミニウム層を１００ｎｍ、並びに金層を形成した他は、実施例１とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

実施例７
バリア金属層として順にチタン層を２０ｎｍ、ニッケル層およびアルミニウム層を各々５０ｎｍ、並びに金層を形成した他は、実施例１とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

比較例１
バリア金属層を形成せずにｐ電極とサブマウントを接合した他は、実施例１とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

比較例２
バリア金属層を形成せずにｐ電極とサブマウントを接合した他は、実施例２とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

比較例３
バリア金属層を形成せずにｐ電極とサブマウントを接合した他は、実施例３とすべて同じ手順、材料、条件で作製した。

これら実施例および比較例の条件について、表１にまとめて示す。

〔実施例と比較例の対比〕
実施例１〜５および比較例１〜３についてｐ電極の接触抵抗について評価した。接触抵抗はＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅＭｏｄｅｌ（以下ＴＬＭ法、文献大森正道著超高速化合物半導体デバイス参照）により接触抵抗を算出した。それぞれの接触抵抗を表２に示す。バリア金属層のない比較例１〜３に比べ、バリア金属層を形成した実施例１〜５は、ｐ電極の接触抵抗が小さくなっている。

これら実施例１〜５および比較例１〜３について、窒素雰囲気下において１分間で２５０℃まで昇温した後１０分間アニールし、放冷により降温した。これは、外部から熱を与えることにより、連続動作時に熱が発生する状態を擬似的に作り出している。同様にＴＬＭ法により接触抵抗を測定した結果を表２に示す。表１と表２を比較すると、比較例１〜３については連続動作時に絶縁化が起こるが、バリア金属層を形成した実施例１〜５については連続動作時にも接触抵抗の増加は生じていない。つまり、バリア金属層の形成により、接触抵抗の増加が効果的に抑制されている。錫を含まない半田の場合においても、半田成分中の拡散しやすい金属成分の拡散をこのバリア金属層が防ぐことができるので、同様の効果を発現する。また、実施例１〜５について比較すると、実施例２〜３は実施例１および実施例４〜５よりも接触抵抗値が若干大きい。これは、実施例１および実施例４〜５は半田層中の錫の組成比が小さいことから、拡散が起こりにくくなっているためである。

実施例１、６〜７について同様に接触抵抗を評価し、表２に示す。バリア金属層に用いる金属層はニッケル層に限るものではなく、たとえばアルミニウム層を用いた場合、これらを複層とした場合についても同様の効果が得られる。またバリア金属層にニッケルおよびアルミニウムを用いた例を挙げたが、モリブデン、パラジウム、チタン、白金、バナジウムを用いた場合、またこれらを複層とした場合も同様の効果が得られる。

本発明の半導体素子は、発光効率の低減並びに素子寿命の低下を抑制できた可視領域から近紫外領域の発光波長を有する発光素子として利用可能である。

１基板
２ＡｌＮ層
３バッファ層
４ｎ型伝導層
５発光層
６ｐ型伝導層
７ｐ型コンタクト層
８ｎ電極
９ｐ電極
１０バリア金属層
１１半田層
１２電極層
１３サブマウント

Claims

基板と、該基板上に形成されるｎ型層およびｐ型層を含む複数の窒化物半導体からなる半導体積層部と、該半導体積層部中のｎ型層およびｐ型層の上面に直接形成されるｎ電極およびｐ電極からなる半導体チップ（I）と、電極層を有するサブマウント（II）とを基本の構成要素とし、前記ｎ電極およびｐ電極と前記サブマウントの電極層とが半田層を介して接合された半導体発光素子（III）において、前記ｐ電極と半田層との間にバリア金属層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子（III）。
前記半田層の半田が金と錫とからなる合金であって、該合金中の金の割合が６０〜８０質量％である請求項１に記載の半導体発光素子（III）。
前記バリア金属層のバリアメタルが、ニッケルおよびアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属である請求項１または２に記載の半導体発光素子（III）。