JP2010267797A - 半導体発光素子、ランプ、照明装置、電子機器及び電極 - Google Patents
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Abstract
【課題】密着性を高めた電極を備えた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】基板101と、前記基板101上にn型半導体層104と発光層105とp型半導体層106とがこの順序で積層されてなる積層半導体層20と、p型半導体層106に接合された一方の電極111と、n型半導体層104に接合された他方の電極108と、を具備する半導体発光素子であって、一方の電極111または他方の電極108の一方または両方が、オーミックコンタクト層51と金属反射層52と第1の拡散防止層53と第1の密着層54とがこの順序に積層されてなる構造を有しており、かつ、第1の密着層54の外縁部が前記積層半導体層と接して張り出して形成され、第1の拡散防止層53を完全に覆っている半導体発光素子1を用いることにより、上記課題を解決できる。
【選択図】図2
Description
このようなGaN系化合物半導体発光素子には、基板を上に、電極を下にして発光素子を配線基板に実装することで、発光層から発射される光を基板を介して外部に取り出す、所謂フリップチップ型半導体発光素子がある。
そのため、p型電極やn型電極の表面および周囲には酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁保護膜が形成される。さらに、p型電極とn型電極間の絶縁性を高めるため、両電極間に絶縁保護膜が形成される。
(1) 基板と、前記基板上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とがこの順序で積層されてなる積層半導体層と、前記p型半導体層に接合された一方の電極と、前記n型半導体層に接合された他方の電極と、を具備する半導体発光素子であって、前記一方の電極または前記他方の電極の一方または両方が、オーミックコンタクト層と金属反射層と第1の拡散防止層と第1の密着層がこの順序に積層されてなる構造を有しており、かつ、前記第1の密着層の外縁部が前記積層半導体層と接して張り出して形成され、前記第1の拡散防止層を完全に覆っていることを特徴とする半導体発光素子。
(2) 前記第1の密着層の外縁部に外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面が形成されていることを特徴とする(1)に記載の半導体発光素子。
(3) 前記オーミックコンタクト層がIn、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ce、Sn、Niのいずれか一種を含む導電性の酸化物からなる群より選ばれる透光性の導電性材料から構成されることを特徴とする(1)または(2)に記載の半導体発光素子。
(4) 前記金属反射層がAg、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Tiのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(5) 前記第1の拡散防止層がTa、Ti、Niまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(6) 前記第1の密着層がTa、Ti、Niもしくはこれらの金属の何れかを含む合金またはこれらの金属の何れかを含む窒素化合物からなることを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(7) 第2の拡散防止層が、前記第1の密着層を覆うように形成されていることを特徴とする(1)〜(6)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(8) 前記第2の拡散防止層がRu、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Wまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする(7)に記載の半導体発光素子。
(9) ボンディング層が前記第1の密着層または前記第2の拡散防止層を覆うように形成されていることを特徴とする(1)〜(8)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(10) 前記ボンディング層がAu、Alまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする(9)に記載の半導体発光素子。
(11) 第2の密着層が、前記ボンディング層を覆うように形成されていることを特徴とする(1)〜(10)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(12) 前記第2の密着層が、Ti、Ta、Niまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする(11)に記載の半導体発光素子。
(13) 絶縁保護膜が、前記第2の密着層を覆うように形成されていることを特徴とする(1)〜(12)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(14) 前記積層半導体層が窒化ガリウム系半導体を主体として構成されていることを特徴とする(1)〜(13)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
(15) 一の配線部と前記一の配線部と離間して配設された他の配線部とを一面に備えた実装基板と、前記実装基板の一面上に配置された(1)〜(14)のいずれか1項に記載の半導体発光素子と、を具備するランプであって、前記半導体発光素子の一方の電極が前記一の配線部と接続され、前記半導体発光素子の他方の電極が前記他の配線部と接続され、前記半導体発光素子の基板が前記実装基板と反対側になるように配置されていることを特徴とするランプ。
(16) (15)に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする照明装置。
(17) (15)に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
(18) 基板と、前記基板上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とがこの順序で積層されてなる積層半導体層と、前記p型半導体層に接合された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられて露出された前記n型半導体層に接合された他方の電極と、を具備する半導体発光素子用の電極であって、前記一方の電極または前記他方の電極の一方または両方が、オーミックコンタクト層と金属反射層と第1の拡散防止層と第1の密着層とがこの順序に積層されてなる構造を有しており、かつ、前記第1の密着層の外縁部が前記積層半導体層と接して張り出して形成され、前記第1の拡散防止層を完全に覆っていることを特徴とする半導体発光素子用の電極。
(19) 前記第1の密着層の外縁部に外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面が形成されていることを特徴とする(18)に記載の半導体発光素子用の電極。
(20) ボンディング層が前記第1の密着層を覆うように形成されていることを特徴とする(18)または(19)に記載の半導体発光素子用の電極。
また、金属反射層を有する当該電極構造を備えたフリップチップ型半導体発光素子、その製造方法、ランプ及び照明装置を提供することができる。
さらに、本発明は、基板と、前記基板上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とがこの順序で積層されてなる積層半導体層と、前記p型半導体層に接合された一方の電極と、前記n型半導体層に接合された他方の電極と、を具備する半導体発光素子であって、前記一方の電極または前記他方の電極の一方または両方が、オーミックコンタクト層と金属反射層と第1の拡散防止層とがこの順序に積層されてなる構造を有しており、かつ、前記第1の密着層の外縁部が前記積層半導体層と接して張り出して形成され、前記第1の拡散防止層を完全に覆っていることにより、前記電極とGaN系化合物半導体層との接着性を高めることができる。
本発明によれば、n型電極又はp型電極の一方または両方が金属反射層を有する電極であり、当該電極と当該電極が形成されるn型半導体層又はp型半導体層との接着性を高めた電極構造を備えたフリップチップ型半導体発光素子、その製造方法、ランプ及び照明装置を提供することができる。
(第1の実施形態)
図1〜図5は、本発明の実施形態である半導体発光素子の一例を示す図であって、図1は本発明の実施形態である半導体発光素子の平面模式図であり、図2は、図1のA−A’線における断面模式図であり、図3は、図1のB−B’線における断面模式図であり、図4は、図1に示す半導体発光素子を構成する積層半導体層の断面模式図であり、図5は、図1に示す半導体発光素子のp型電極の拡大断面図である。
図1に示すように、半導体発光素子1は平面視略矩形状であり、一辺側が平面視半円半矩形状に切り欠けられており、切欠部16と切欠残部17が形成されている。
切欠部16には、平面視円形状のn型電極108が設けられている。n型電極108の側面およびその周囲は保護膜10に覆われている。
半導体発光素子1の切欠残部17は保護膜10に覆われており、保護膜10に設けられた平面視円形状の凹部111cからボンディング層55が露出されている。なお、切欠残部17の保護膜10の下には、切欠残部17とほぼ同様な形状で、オーミックコンタクト層51と、金属反射層52と、第1の拡散防止層53と、第1の密着層54と、ボンディング層55と、第2の密着層56とが配置されており、p型電極111が構成されている。
また、p型電極111は、p型半導体層106の上面106cに、オーミックコンタクト層51と、金属反射層52と、第1の拡散防止層53と、第1の密着層54と、ボンディング層55と、第2の密着層56と、保護膜10とがこの順序で積層されて構成されている。
さらに、保護膜10は、p型半導体層106の上面及び側面を覆うとともに、半導体層露出面104cおよびn型電極108の側面を覆っている。
以下、各部材について説明する。
基板101は、透明であり、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板であれば、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムアルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。
また、上記基板の中でも、特に、c面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましく、サファイアのc面上にバッファ層102を形成するとよい。
積層半導体層20は、例えば、III族窒化物半導体からなる層であって、図2及び図3に示すように、基板101上に、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層がこの順で積層されてなる。なお、積層半導体層20は、さらに下地層103、バッファ層102を含めてもよい。
図4に示すように、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層はそれぞれ、複数の半導体層で構成することができる。
なお、積層半導体層20は、MOCVD法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、MOCVD法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。以下、順次説明する。
バッファ層102は、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるものが好ましく、単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)のものがより好ましい。
バッファ層102は、上述のように、例えば、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのものとすることができる。バッファ層102の厚みが0.01μm未満であると、バッファ層102により基板101と下地層103との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層102の厚みが0.5μmを超えると、バッファ層102としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層102の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。
バッファ層102は、基板101と下地層103との格子定数の違いを緩和し、基板101の(0001)C面上にC軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、バッファ層102の上に単結晶の下地層103を積層すると、より一層結晶性の良い下地層103が積層できる。なお、本発明においては、バッファ層形成工程を行なうことが好ましいが、行なわなくても良い。
また、バッファ層102をなすIII族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶(多結晶)とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
下地層103としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)が挙げられるが、AlxGa1−xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層103を形成できるため好ましい。
下地層103の膜厚は0.1μm以上が好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlxGa1−xN層が得られやすい。
下地層103の結晶性を良くするためには、下地層103は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、p型あるいはn型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
図4に示すように、n型半導体層104は、通常nコンタクト層104aとnクラッド層104bとから構成されるのが好ましい。なお、nコンタクト層104aはnクラッド層104bを兼ねることも可能である。また、前述の下地層をn型半導体層104に含めてもよい。
nコンタクト層104aは、n型電極を設けるための層である。nコンタクト層104aとしては、AlxGa1−xN層(0≦x<1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
また、nコンタクト層104aにはn型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1020/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、n型電極との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
nコンタクト層104aの膜厚は、0.5〜5μmとされることが好ましく、1〜3μmの範囲に設定することがより好ましい。nコンタクト層104aの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
nクラッド層104bの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは0.005〜0.5μmであり、より好ましくは0.005〜0.1μmである。nクラッド層104bのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3が好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
また、nクラッド層104bは、n側第1層とn側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよい。また、好ましくは、前記n側第1層又はn側第2層の何れかが、活性層(発光層105)に接する構成とすれば良い。
n型半導体層104の上に積層される発光層105としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などの発光層105がある。
図4に示すような、量子井戸構造の井戸層105bとしては、Ga1−yInyN(0<y<0.4)からなるIII族窒化物半導体層が通常用いられる。井戸層105bの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば1〜10nmとすることができ、好ましくは2〜6nmとすると発光出力の点で好ましい。
また、多重量子井戸構造の発光層105の場合は、上記Ga1−yInyNを井戸層105bとし、井戸層105bよりバンドギャップエネルギーが大きいAlzGa1−zN(0≦z<0.3)を障壁層105aとする。井戸層105bおよび障壁層105aには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
図4に示すように、p型半導体層106は、通常、pクラッド層106aおよびpコンタクト層106bから構成される。また、pコンタクト層106bがpクラッド層106aを兼ねることも可能である。
pクラッド層106aは、発光層105へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。pクラッド層106aとしては、発光層105のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層105へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AlxGa1−xN(0<x≦0.4)のものが挙げられる。
pクラッド層106aが、このようなAlGaNからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。pクラッド層106aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。
pクラッド層106aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
また、pクラッド層106aは、複数回積層した超格子構造としてもよい。
p型不純物(ドーパント)を1×1018〜1×1021/cm3の濃度、好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはMgが挙げられる。
pコンタクト層106bの膜厚は、特に限定されないが、0.01〜0.5μmが好ましく、より好ましくは0.05〜0.2μmである。pコンタクト層106bの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
図5は、図2に示す本発明の実施形態である半導体発光素子1のp型電極111の一例の拡大断面図である。
図5に示すように、p型電極111は、オーミックコンタクト層51と、金属反射層52と、第1の拡散防止層53と、第1の密着層54と、ボンディング層55と、第2の密着層56と、絶縁保護膜10とが積層されて概略構成されている。
図5に示すように、オーミックコンタクト層51は、p型半導体層106の上面106cに形成されている。また、その外縁側が外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面51eとされている。
オーミックコンタクト層51は、p型半導体層106との接触抵抗が小さいものが好ましい。また、発光層105からの光を金属反射層52側に取り出すことから、オーミックコンタクト層51は光透過性に優れたものが好ましい。さらにまた、p型半導体層106のほぼ全面に渡って均一に電流を拡散させるために、オーミックコンタクト層51は優れた導電性を有していることが好ましい。
ここで、導電性のインジウム酸化物としては、酸化物中にインジウム元素を含む透明な導電性であるものならどんな組成であってもよく、例えば、ITO(酸化インジウム錫(In2O3−SnO2))、IZO(酸化インジウム亜鉛(In2O3−ZnO))、IGO(酸化ガリウムインジウム(In2O3−Ga2O3))が例示できる。また。導電性のチタン酸化物には、酸化チタンが挙げられる。さらにその他の透明な導電性材料には、AZO(酸化アルミニウム亜鉛(ZnO−Al2O3))、GZO(酸化ガリウム亜鉛(ZnO−Ga2O3))、フッ素ドープ酸化錫、ニオブドープ酸化チタン等を使用できる。
これらの材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることによって、オーミックコンタクト層51を形成できる。また、オーミックコンタクト層51を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
図5に示すように、金属反射層52は、オーミックコンタクト層51を完全に覆うように形成されている。また、その外縁側が外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面52eとされている。
すなわち、金属反射層52は、オーミックコンタクト層51の最先端部、すなわちオーミックコンタクト層51を平面視したときの輪郭線を形成する境界部の上を完全に覆うように形成されている。つまり、平面視したときに、金属反射層52はオーミックコンタクト層51を覆って、更にオーミックコンタクト層51の外周側にまで張り出すように形成される構成なので、オーミックコンタクト層51のいかなる部分も金属反射層52の下から露出しないようにすることができる。
なかでも、Al、Ag、Ptおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金は、電極用の材料として一般的であり、入手のし易さ、取り扱いの容易さなどの点から優れている。
なお、反射率は、分光光度計等で比較的容易に測定することが可能である。しかし、p型電極111そのものは面積が小さいために反射率を測定することは難しい。そこで、例えば、p型電極111形成時に、面積の大きく透明なガラス製の「ダミー基板」上にp型電極111と同様のものを作成し、これをサンプルとして反射率を測定する。
図5に示すように、金属反射層52を完全に覆うように、第1の拡散防止層53が形成されている。また、その外縁側が外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面53eとされている。
すなわち、第1の拡散防止層53は、金属反射層52の最先端部、すなわち金属反射層52を平面視したときの輪郭線を形成する境界部の上を完全に覆うように形成されている。つまり、平面視したときに、第1の拡散防止層53は金属反射層52を覆って、更に金属反射層52の外周側にまで張り出すように形成される構成なので、金属反射層52のいかなる部分も第1の拡散防止層53の下から露出しないようにすることができる。
図5に示すように、第1の密着層54は、第1の拡散防止層53を完全に覆うように形成されている。また、その外縁部には、p型半導体層106の上面106cに接する外縁部54dが形成されている。さらに、外縁部54dには外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面54eが形成されている。
第1の密着層54は、平面視したときに、第1の拡散防止層53の外周側にまで張り出すように形成される構成なので、オーミックコンタクト層51、金属反射層52、第1の拡散防止層53のシールド性を高めることができる。
また、第1の密着層54は、第1の拡散防止層53の最先端部、すなわち第1の拡散防止層53を平面視したときの輪郭線を形成する境界部の上を完全に覆うと共に、GaN系化合物半導体の積層半導体層(n型半導体層又は/及びp型半導体層)に接して積層半導体層との密着性を高める働きがある。
また、金属反射層52とボンディング層55の間に、比較的強固な金属材料であるTiからなる第1の密着層54を挿入することにより、p型電極111全体の強度を強化することができる。
第1の密着層54の最大厚みを5nm〜400nmとすることにより、第1の密着層54をp型半導体層106の上面106cに密着性高く接合することができる。なお、最大厚みが5nm未満になると、第1の密着層54の接合強度が低下するとともに、第1の密着層54の強度が低下するので好ましくない。
図5に示す電極断面において、外縁部54dがp型半導体層106の上面106cに接する部分の幅は2nm〜20nmの範囲が好ましく、3nm〜10nmの範囲が望ましい。上記のような構成により、外部からの水分や空気などの浸入を防ぎ、電極の耐候性、耐腐食性を高めることができる。
図5に明示を省略するが、本発明の実施形態において第1の密着層54とボンディング層55との間に、ボンディング層元素の拡散を防止する層(以下、第2の拡散防止層)を設けてもよい。
第2の拡散防止層は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Wまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金で構成することが好ましい。また、第2の拡散防止層の最大厚みは、50nm〜300nmとすることが好ましく、70nm〜250nmとすることが更に好ましい。これにより、ボンディング層元素が第1の密着層54側へ拡散することを防止することができる。
図5に示すように、ボンディング層55は、外縁部54dも含めて、第1の密着層54を完全に覆うように形成されている。さらに、その外縁側が外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面55eとされている。
すなわち、ボンディング層55は、第1の密着層54の最先端部、すなわち第1の密着層54を平面視したときの輪郭線を形成する境界部の上を完全に覆うように形成されている。つまり、平面視したときに、ボンディング層55は第1の密着層54の外周側にまで張り出すように形成される構成なので、第1の密着層54のいかなる部分もボンディング層55の下から露出しないようにすることができる。
凹部111cの内底面111dの面積は、バンプの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、凹部111cの内底面111dの径は、たとえば、直径60μm〜100μmとすることが好ましい。凹部111cの内底面111dの径を100μmより大きくすると、実装作業は容易になるが、絶縁保護膜を形成する面積が小さくなり、絶縁保護膜の効果が損なわれる恐れが生じ、発光素子としての信頼性が低下する。逆に、凹部111cの内底面111dの径を直径60μmよりも小さくすると、実装作業が困難となり、製品の製造収率を低下させる。
ボンディング層55の最大厚みを50nmより薄くすると、バンプとの密着性が悪くなる。また、ボンディング層55の最大厚みを2000nmより厚くしても、特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみなので好ましくない。
図5に示すように、第2の密着層56は、凹部111cを除き、ボンディング層55を完全に覆うように形成されている。さらに、その外縁側が外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面56eとされている。
すなわち、第2の密着層56は、ボンディング層55の最先端部、すなわちボンディング層55を平面視したときの輪郭線を形成する境界部の上を完全に覆うように形成されている。つまり、平面視したときに、第2の密着層56はボンディング層55の外周側にまで張り出すように形成される構成なので、凹部111cを除いて、ボンディング層55のいかなる部分も第2の密着層56の下から露出しないようにすることができる。
なお、最大厚みが5nm未満になると、第2の密着層56の接合強度が低下するので好ましくない。
図5に示すように、SiO2のようなシリコン酸化物からなる絶縁保護膜10は、凹部111cを除き、第2の密着層56を完全に覆うように形成されている。さらに、絶縁保護膜10は、p型半導体層106の一部の上面106cや、n型電極108を形成するために積層半導体20を一部エッチングして露出された側面およびn型半導体層104の露出面104c、n型電極108の側面等を完全に覆うように形成されている。
これにより、p型電極111の凹部111c及びn型電極108の上面を除き、半導体発光素子1をシールドして、外部の空気や水分が半導体発光素子1に浸入するおそれを大幅に低減して、半導体発光素子1のp型電極111やn型電極108の腐食の防止に寄与することができる。
絶縁保護膜10の最大厚みは、50nm〜1000nmとすることにより、外部の空気や水分が半導体発光素子1に浸入するおそれを大幅に低減して、半導体発光素子1のp型電極111やn型電極108の腐食を防止することができる。
また、p型電極111の各層に用いる金属元素は、同一の金属元素を用いてもよく、また異なる金属元素を組み合わせてもよい。
図2に示すように、n型半導体層104の露出面104cにn型電極108が形成されている。このように、n型電極108を形成する際には、エッチング等の手段によって発光層105およびp半導体層106の一部を切り欠き除去してn型半導体層104のnコンタクト層を露出させ、この露出面104c上にn型電極108を形成する。また、前述したように、n型電極108は、n型電極108の上面を除き、絶縁保護膜10によって覆われている。
図1に示すように、平面視したときに、n型電極108は円形状とされているが、このような形状に限定されるわけでなく、多角形状など任意の形状とすることができる。
また、n型電極108はボンディングパットを兼ねている。なお、n型電極108としては、周知の各種組成や構造を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
n型電極108も、p型電極111と同様に、外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面を備えた構造としてもよく、オーミックコンタクト層51、第1の密着層54、ボンディング層55、第2の密着層56からなる多層構造としても良い。これにより、外部の空気または水分が、n型電極108とn型半導体層104の界面へ侵入することを防止することができ、n型電極108の耐食性を向上して、半導体発光素子1のn型電極108の剥がれを防止することができる。
図2に示すように、本発明の実施形態である半導体発光素子1は、p型電極111とn型電極108との間に電圧を印加して通電して、発光層105からの発光を得、基板101の方向fへ光が取り出される。なお、発光層105からp型電極111に向かった光も、金属反射層52で反射され、一部は散乱されて横方向あるいは斜め方向に進み、基板101の方向fへ光が取り出される。
次に、本発明の実施形態である半導体発光素子の製造方法の一例について説明する。
本発明の実施形態である半導体発光素子の製造方法は、基板上に、n型半導体層と、発光層と、p型半導体層とをこの順序に積層して積層半導体層を形成する工程(以下、積層半導体層形成工程)と、前記p型半導体層上に一方の電極を形成するとともに、前記積層半導体層の一部を切り欠いてn型半導体層の一部を露出させた後、前記露出面に他方の電極を形成する工程(以下、電極形成工程)とを有する。
まず、サファイア基板等の基板101を用意し、基板101の上面に、スパッタ法によって、バッファ層102を積層する。チャンバ内において、基板101をArやN2のプラズマ中に曝す事によって上面を洗浄する前処理を行なってもよい。
スパッタ法によって、単結晶構造を有するバッファ層102を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が50%〜100%、望ましくは75%程度となるようにすることが望ましい。
なお、バッファ層102は、上述したスパッタ法だけでなく、公知なMOCVD法で形成してもよい。
下地層103は、スパッタ法またはMOCVD法を用いて成膜することが望ましい。スパッタ法を用いる場合には、MOCVD法やMBE法等と比較して、装置を簡便な構成とすることが可能となる。
次に、n型半導体層104上に発光層105を形成する。スパッタ法またはMOCVD法を用いることが好ましく、MOCVD法を用いることがより好ましい。
具体的には、障壁層105aと井戸層105bとを交互に繰り返して積層し、且つ、n型半導体層104側及びp型半導体層106側に障壁層105aが配される順で積層すればよい。
電極形成工程は、積層半導体層20の一部を切り欠いてn型半導体層104の一部を露出させた後、露出面104cに他方の電極(n型電極)を形成(n型電極形成工程)するとともに、p型半導体層106上に一方の電極(p型電極)を形成(p型電極形成工程)する工程である。
なお、n型電極形成工程と、p型電極形成工程の順序はどちらを先としてもよい。
まず、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングして、所定の領域の積層半導体層20の一部をエッチングしてnコンタクト層104aの一部を露出させる。
次に、nコンタクト層104aの露出面104cにスパッタ法などによりn型電極108を形成する。
p型電極の形成工程は、p型半導体層上に第1の開口部を有する第1のマスクを形成し、前記第1の開口部から露出する前記p型半導体層上にオーミックコンタクト層と金属反射層と第1の拡散防止層とをこの順序で積層する工程(以下、第1工程)と、前記第1のマスクを除去してから、前記p型半導体層上に前記第1の開口部よりも大きな開口部を有する第2のマスクを形成し、前記開口部から露出する前記第1の拡散防止層を覆うように第1の密着層を形成した後、ボンディング層と第2の密着層と保護膜とをこの順序で積層する工程(以下、第2工程)とからなる。
図6〜9に示す工程断面図を用いて、p型電極の形成工程について説明する。
まず、図6(a)に示すように、p型半導体層106の上面106cにレジストを塗布して、これを乾燥して不溶性レジスト部21する。前記レジストとしては、たとえば、AZ5200NJ(製品名:AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)などを用いる。
次に、所定強さ及び波長の光を矢印に示すように照射して、レジスト部21のマスク25によりカバーされていない部分を露光する(一部露光)。露光されたレジスト部21は、光反応により、図6(b)に示すように、第1の可溶性レジスト部22とされる。なお、この光反応は光の強さに応じて進行するので、光照射面側では光反応の進行が早く、p型半導体層106側では光反応の進行が遅くなる。
そのため、第1の可溶性レジスト部22は、図6(b)に示すように、その側面が下方に向かうほど後退した逆傾斜形状(逆テーパー形状)となるように形成される。
逆に、マスクされた部分の不溶性レジスト部21は、側面が上方に向かうほど後退した傾斜形状(テーパー形状)となるように形成される。
次に、マスクを用いず、所定強さ及び波長の光を矢印に示すように照射する(全面露光)。これにより、一部露光において露光されなかった不溶性レジスト部21が、第2の可溶性レジスト部24とされる。
オーミックコンタクト層51の成膜では、オーミックコンタクト層51は、第1のマスク27の第1の開口部27cの各辺の長さl1、l2よりも少し広く、p型半導体層106の上面106c上にマスク27の内壁面27d近傍まで広がって形成される。すなわち、第1の開口部27cの内壁面27dが下方に向かうほど後退した第1のマスク27を用いる構成なので、図7(b)に示すように、スパッタ方向から影となる部分では、すなわち、オーミックコンタクト層51の外縁側には、外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面51eが形成される。なお、傾斜面51eの傾斜角度は、膜厚に応じて決まる。
金属反射層52の成膜では、オーミックコンタクト層51の場合と同様にスパッタ法を用いる。そのため、金属反射層52は、第1のマスク27の第1の開口部27cの各辺の長さl1、l2よりも少し広く、p型半導体層106の上面106c上に第1のマスク27の内壁面27d近傍まで広がって形成される。また、第1の開口部27cの内壁面27dが下方に向かうほど後退した第1のマスク27を用いる構成なので、図7(b)に示すように、スパッタ方向から影となる部分では、すなわち、金属反射層52の外縁側には、外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面52eが形成される。なお、傾斜面52eの傾斜角度は、膜厚に応じて決まる。
さらに、金属反射層52は、オーミックコンタクト層51を完全に覆うように形成される。
第1の拡散防止層53の成膜では、オーミックコンタクト層51の場合と同様にスパッタ法を用いる。そのため、第1の拡散防止層53は、第1のマスク27の第1の開口部27cの各辺の長さl1、l2よりも少し広く、p型半導体層106の上面106c上に第1のマスク27の内壁面27d近傍まで広がって形成される。また、第1の開口部27cの内壁面27dが下方に向かうほど後退した第1のマスク27を用いる構成なので、図7(b)に示すように、スパッタ方向から影となる部分では、すなわち、第1の拡散防止層53の外縁側には、外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面53eが形成される。なお、傾斜面53eの傾斜角度は、膜厚に応じて決まる。
さらに、第1の拡散防止層53は、金属反射層52を完全に覆うように形成される。
次に、図8(a)に示すように、オーミックコンタクト層51、金属反射層52、第1の拡散防止層53からなる3層構造体を覆うとともに、p型半導体層106の上面106cを覆うようにレジストを塗布して、これを乾燥して不溶性レジスト部21する。
次に、矢印に示すように所定強さ及び波長の光を照射して、露光された部分のレジスト部21を光反応(一部露光)して、図8(b)に示すように、第1の可溶性レジスト部22とする。なお、この光反応は光の強さに応じて進行するので、光照射面側では光反応の進行が早く、p型半導体層106側では光反応の進行が遅くなる。
そのため、第1の可溶性レジスト部22は、図8(b)に示すように、その側面が下方に向かうほど後退した逆傾斜形状(逆テーパー形状)となるように形成される。
逆に、マスクされた部分の不溶性レジスト部21は、側面が上方に向かうほど後退した傾斜形状(テーパー形状)となるように形成される。
次に、図8(d)に示すように、マスクを用いず、矢印に示すように所定強さ及び波長の光を照射する(全面露光)。これにより、一部露光で露光されなかった不溶性レジスト部21が、第2の可溶性レジスト部24とされる。
第1の密着層54の成膜では、第1の密着層54は、第2のマスク28の第2の開口部28cの各辺の長さl3、l4よりも少し広く、p型半導体層106の上面106c上に第2のマスク28の内壁面28d近傍まで広がって形成される。また、第2の開口部28cの内壁面28dが下方に向かうほど後退した第2のマスク28を用いる構成なので、図9(b)に示すように、スパッタ方向から影となる部分では、すなわち、第1の密着層54の外縁側には、外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面54eが形成される。なお、傾斜面54eの傾斜角度は、膜厚に応じて決まる。
また、第2のマスク28の第2の開口部28cの各辺の長さl3、l4は、第1のマスク27の第1の開口部27cの各辺の長さl1、l2より広い構成なので、第1の密着層54は、第1の拡散防止層53を完全に覆うとともに、その外縁部にp型半導体層106に接する外縁部54dが形成される。このような外縁部54dを設けることにより、第1の密着層54を密着性高くp型半導体層106に接合させることができる。
ボンディング層55の成膜では、第1の密着層54上の場合と同様にスパッタ法を用いる。そのため、ボンディング層55は、第2のマスク28の第2の開口部28cの各辺の長さl3、l4よりも少し広く、p型半導体層106の上面106c上に第2のマスク28の内壁面28d近傍まで広がって形成される。また、第2の開口部28cの内壁面28dが下方に向かうほど後退した第2のマスク28を用いる構成なので、図9(b)に示すように、スパッタ方向から影となる部分では、すなわち、ボンディング層55の外縁側には、外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面55eが形成される。なお、傾斜面55eの傾斜角度は、膜厚に応じて決まる。
また、ボンディング層55は、第1の密着層54を完全に覆うように形成される。
第2の密着層56の成膜では、ボンディング層55と同様にスパッタ法を用いる。そのため、第2の密着層56は、第2のマスク28の第2の開口部28cの各辺の長さl3、l4よりも少し広く、p型半導体層106の上面106c上に第2のマスク28の内壁面28d近傍まで広がって形成される。また、第2の開口部28cの内壁面28dが下方に向かうほど後退した第2のマスク28を用いる構成なので、図9(b)に示すように、スパッタ方向から影となる部分では、すなわち、第2の密着層56の外縁側には、外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面56eが形成される。なお、傾斜面56eの傾斜角度は、膜厚に応じて決まる。
また、第2の密着層56は、ボンディング層55を完全に覆うように形成される。
次に、図9(d)に示すように、スパッタ法により、第2の密着層56およびp型半導体層106の上面106cを覆うように絶縁保護膜10を形成する。なお、このとき、絶縁保護膜10は、p型半導体層106の側面およびn型半導体層104の露出面104cを覆うように形成する。
次に、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングして、n型電極108の上面を露出する。
以上のようにして、図1〜5に示す半導体発光素子1を製造する。
図10は、本発明の実施形態であるランプの一例を示す断面概略図である。尚、以下の説明において参照する図面で、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体発光素子等の寸法関係とは異なっている。
図10に示すように、本発明の実施形態であるランプ4は、基板実装用チップ型であり、第1の実施形態で示した半導体発光素子1が用いられている。
なお、本発明の実施形態であるランプ4は、例えば、半導体発光素子1と蛍光体とを組み合わせてなるものであって、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、半導体発光素子1と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変えることができることが知られているが、このような技術を本発明の実施形態であるランプにおいても何ら制限されることなく採用することが可能である。
また、本発明の実施形態であるランプ4は、携帯電話、ディスプレイ、パネル類などの電子機器や、前記電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータ、ゲーム機などの機械装置類に使用できる。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
<半導体発光素子の作製>
第1の実施形態で示した窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子を次のようにして製造した。
まず、サファイアからなる基板上に、AlNからなるバッファ層を介して、厚さ8μmのアンドープGaNからなる下地層を形成した。
次に、厚さ2μmのSiドープn型GaNコンタクト層、厚さ250nmのn型In0.1Ga0.9Nクラッド層を形成した後、厚さ16nmのSiドープGaN障壁層および厚さ2.5nmのIn0.2Ga0.8N井戸層を5回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層を形成した。
さらに、厚さ10nmのMgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層、厚さ150nmのMgドープp型GaNコンタクト層を順に形成した。
なお、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、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。
次に、前記第1のマスクを具備した状態で、スパッタ法により、厚さ20nmのITOからなるオーミックコンタクト層、厚さ100nmのAgからなる金属反射層、厚さ100nmのTiからなる第1の拡散防止層を形成した。
次に、レジスト剥離液を用いて、第1のマスクを除去した。
次に、前記第2のマスクを具備した状態で、スパッタ法により、厚さ40nmのTaからなる第1の密着層、厚さ300nmのAuからなるボンディング層、厚さ10nmのTiからなる第2の密着層を形成した。
次に、レジスト剥離液を用いて、第2のマスクを除去した。
次に、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングして、p型電極の所定の領域に凹部をエッチング形成して、ボンディング層の一部を露出させるとともに、n型電極の上面を露出して、実施例1の半導体発光素子を製造した。
次に、表1及び表2に示す条件で、実施例1と同様にして、実施例2〜4、比較例1及び比較例2の半導体発光素子を製造した。
各半導体発光素子について、電流電圧特性及び発光特性の評価を行った。
例えば、実施例1の半導体発光素子について、順方向電圧を測定したところ、プローブ針による通電で電流印加値20mAにおける順方向電圧が3.0Vであった。
その後、フリップチップ実装してテスターによって発光出力を計測したところ、印加電流20mAにおける発光出力は20mWを示した。また、その発光面の発光分布は正極下の全面で発光しているのが確認できた。
各半導体発光素子の電流電圧特性及び発光特性の結果を表1に示した。
まず、表1に記載の実施例1〜4及び比較例1、2に示すp型電極構造を、直径80μmのパット形状にしてGaN基板上に形成して、実施例1〜4及び比較例1、2の剥がれ試験用サンプルをそれぞれ100個作製した。
次に、80μmのボール径のバンプを前記パット中心から30μmずらして形成し、剥れが起こるかどうかを試験した。100個の剥がれ試験用サンプルのうちの剥れが生じた個数を数えた。
表1の「剥れ試験」の欄に、実施例1〜4及び比較例1、2の剥れ試験用サンプルの剥れが生じた個数をまとめた。
常法に従って、各半導体発光素子(チップ)の高温高湿度試験を実施した。試験方法としては、100個の各半導体発光素子(チップ)を高温高湿器(いすゞ製作所、μーSERIES)内に入れ、温度85℃、相対湿度85RH%の環境下で発光試験(チップへの通電量は5mA、2000時間)を行った後、発光しなくなったり、発光輝度が低下したサンプルの数(以下、不良数)を数えた。
表1の「高温高湿度試験」の欄に、実施例1〜4及び比較例1、2の各半導体発光素子(チップ)の不良数を示した。
電流印加値20mA、順方向電圧が3.0V、発光出力は20mWの発光させた状態で、各半導体発光素子を水槽の水中に沈めた。その状態のまま、10分間保持した後、水中から引き上げて、再び発光特性を測定した。実施例1〜4及び比較例1、2の各半導体発光素子それぞれで、100個のサンプルのうち、水中に沈める前に比べ後で発光特性が低下したサンプル(以下、不良数)の数を数えた。
表1の「耐食性試験」の欄に、実施例1〜4及び比較例1、2の各半導体発光素子(チップ)の不良数を示した。
Claims (20)
- 基板と、前記基板上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とがこの順序で積層されてなる積層半導体層と、前記p型半導体層に接合された一方の電極と、前記n型半導体層に接合された他方の電極と、を具備する半導体発光素子であって、
前記一方の電極または前記他方の電極の一方または両方が、オーミックコンタクト層と金属反射層と第1の拡散防止層と第1の密着層がこの順序に積層されてなる構造を有しており、かつ、前記第1の密着層の外縁部が前記積層半導体層と接して張り出して形成され、前記第1の拡散防止層を完全に覆っていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1の密着層の外縁部に外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記オーミックコンタクト層がIn、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ce、Sn、Niのいずれか一種を含む導電性の酸化物からなる群より選ばれる透光性の導電性材料から構成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記金属反射層がAg、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Tiのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1の拡散防止層がTa、Ti、Niまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1の密着層がTa、Ti、Niもしくはこれらの金属の何れかを含む合金またはこれらの金属の何れかを含む窒素化合物からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 第2の拡散防止層が、前記第1の密着層を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の拡散防止層がRu、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Wまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子。
- ボンディング層が前記第1の密着層または前記第2の拡散防止層を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記ボンディング層がAu、Alまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする請求項9に記載の半導体発光素子。
- 第2の密着層が、前記ボンディング層を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の密着層が、Ti、Ta、Niまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなることを特徴とする請求項11に記載の半導体発光素子。
- 絶縁保護膜が、前記第2の密着層を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記積層半導体層が窒化ガリウム系半導体を主体として構成されていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 一の配線部と前記一の配線部と離間して配設された他の配線部とを一面に備えた実装基板と、前記実装基板の一面上に配置された請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体発光素子と、を具備するランプであって、
前記半導体発光素子の一方の電極が前記一の配線部と接続され、前記半導体発光素子の他方の電極が前記他の配線部と接続され、前記半導体発光素子の基板が前記実装基板と反対側になるように配置されていることを特徴とするランプ。 - 請求項15に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする照明装置。
- 請求項15に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
- 基板と、前記基板上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とがこの順序で積層されてなる積層半導体層と、前記p型半導体層に接合された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられて露出された前記n型半導体層に接合された他方の電極と、を具備する半導体発光素子用の電極であって、
前記一方の電極または前記他方の電極の一方または両方が、オーミックコンタクト層と金属反射層と第1の拡散防止層と第1の密着層とがこの順序に積層されてなる構造を有しており、かつ、前記第1の密着層の外縁部が前記積層半導体層と接して張り出して形成され、前記第1の拡散防止層を完全に覆っていることを特徴とする半導体発光素子用の電極。 - 前記第1の密着層の外縁部に外周側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項18に記載の半導体発光素子用の電極。
- ボンディング層が前記第1の密着層を覆うように形成されていることを特徴とする請求項18または請求項19に記載の半導体発光素子用の電極。
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