JP2015070079A - Semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子とその製造方法に関し、特にフリップチップによる実装に適した半導体発光素子とその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor light emitting device suitable for mounting by flip chip and a manufacturing method thereof.
半導体発光素子をフリップチップ実装する一形態として、半導体発光素子の基板側を光出射面とするような実装の態様が知られている。そのように実装された半導体発光素子では、発光の取出し効率を高めるために、半導体積層体側に反射膜を設けて、実装基板方向に向かった発光を反射することが知られている(例えば特許文献1)。 As one form of flip-chip mounting of a semiconductor light emitting device, a mounting mode in which the substrate side of the semiconductor light emitting device is a light emitting surface is known. In such a mounted semiconductor light emitting element, it is known that a reflective film is provided on the semiconductor laminate side to reflect the light emitted toward the mounting substrate in order to increase the light extraction efficiency (for example, Patent Documents). 1).
特許文献1に開示された半導体発光素子では、p型半導体層の上に、第1膜(Ag膜)と、第1膜の周縁に第2膜(Al膜)とが設けられている。第1膜は、反射膜として機能すると共に、p電極のオーミック金属層としても機能する。第2膜は、反射膜として機能すると共に、p電極の電流狭窄層としても機能する。これにより、反射領域は、第1膜と第2膜が形成された領域全体と広くしつつ、電流注入領域は、第1膜の形成された領域のみに制限することができる。
また、Ag等からなる第1膜のすぐ隣に第2膜を形成することで、第1膜は誘電体膜と接触しなくなり、誘電体膜に含まれるイオン不純物や水分に晒されにくくなるため、銀のマイグレーションを抑えることができるとされている。
In the semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1, a first film (Ag film) is provided on a p-type semiconductor layer, and a second film (Al film) is provided on the periphery of the first film. The first film functions as a reflective film and also functions as an ohmic metal layer of the p electrode. The second film functions as a reflection film and also functions as a current confinement layer for the p-electrode. Thereby, the current injection region can be limited only to the region where the first film is formed, while the reflection region is widened over the entire region where the first film and the second film are formed.
Further, since the second film is formed immediately adjacent to the first film made of Ag or the like, the first film does not come into contact with the dielectric film and is not easily exposed to ionic impurities or moisture contained in the dielectric film. It is said that silver migration can be suppressed.
また、第2膜で覆われていない第1膜の領域を覆う第3膜(Pt/Au膜)を設けることができる。第3膜は、第1膜の大気中への暴露を防ぎ、第1膜の劣化を防止することができる。第3膜は、第1膜や第2膜に比べて厚膜に形成されており、第3膜の上面は第2膜の上面より上に位置している。 In addition, a third film (Pt / Au film) covering the region of the first film not covered with the second film can be provided. The third film can prevent the first film from being exposed to the atmosphere and can prevent the first film from deteriorating. The third film is formed thicker than the first film and the second film, and the upper surface of the third film is located above the upper surface of the second film.
また、p型半導体層の下側(基板側)に形成されたn型半導体層に対して、p型半導体層側から通電するために、p型半導体層と活性層と部分的に除去してn型半導体層を露出させた開口が設けられている。開口の底面から露出したn型半導体層の上には、n電極が形成される。 Further, the p-type semiconductor layer and the active layer are partially removed in order to energize the n-type semiconductor layer formed on the lower side (substrate side) of the p-type semiconductor layer from the p-type semiconductor layer side. An opening exposing the n-type semiconductor layer is provided. An n-electrode is formed on the n-type semiconductor layer exposed from the bottom surface of the opening.
第1膜に利用されるAgはマイグレーションを起こしやすいため、第2膜だけでは十分にマイグレーションを抑制することができない。マイグレーションによる半導体発光素子の不良発生を抑制するためには、第3膜を設けて、第1膜を完全に覆うのが望ましいと考えられる。 Since Ag used for the first film is likely to cause migration, the second film alone cannot sufficiently suppress migration. In order to suppress the occurrence of defects in the semiconductor light emitting device due to migration, it is desirable to provide the third film and completely cover the first film.
半導体発光素子をフリップチップ実装する場合、半導体発光素子の電極と外部電極とを金属バンプで接続する。金属バンプを半導体発光素子の電極上に、例えばメッキ法によって予め形成しておく場合、pバンプは第3膜の上に、nバンプは開口底面に設けたn電極上に、それぞれ同じ高さで形成される。
第3膜は第1膜や第2膜より厚いので、第3膜の上に形成されるpバンプの頂点位置も、その分だけ高くなる。それに対してnバンプの頂点位置は、開口の深さ分だけ低くなる。よって、pバンプの頂点位置とnバンプの頂点位置との間の高さの差(基板下面に対して垂直方向における位置の差)が大きくなり、実装基板の実装面にフリップチップ実装する際に、半導体発光素子が実装面に対して平行(正確には、半導体発光素子の基板下面側が、実装基板の実装面と平行)にならず、傾いた状態で実装されるおそれがある。
When the semiconductor light emitting element is flip-chip mounted, the electrode of the semiconductor light emitting element and the external electrode are connected by a metal bump. When metal bumps are formed in advance on the electrodes of the semiconductor light emitting element, for example, by plating, the p bumps are on the third film, and the n bumps are on the n electrode provided on the bottom of the opening at the same height. It is formed.
Since the third film is thicker than the first film and the second film, the apex position of the p-bump formed on the third film also increases accordingly. On the other hand, the apex position of the n bump is lowered by the depth of the opening. Therefore, the difference in height between the apex position of the p bump and the apex position of the n bump (the difference in position in the direction perpendicular to the lower surface of the substrate) becomes large, and when flip chip mounting is performed on the mounting surface of the mounting substrate. The semiconductor light emitting element may not be parallel to the mounting surface (more precisely, the substrate lower surface side of the semiconductor light emitting element is parallel to the mounting surface of the mounting substrate), and may be mounted in an inclined state.
半導体発光素子の傾きを解消するために、フリップチップ実装前にpバンプの厚さを減らすような加工(例えば、サーフェスプレーナにより、pバンプを切削する)をすることができる。しかしながら、そのような加工を行うと、製造コストが大幅に増加してしまう。 In order to eliminate the inclination of the semiconductor light emitting device, it is possible to perform a process (for example, cutting the p bump by a surface planar) to reduce the thickness of the p bump before flip chip mounting. However, when such processing is performed, the manufacturing cost is greatly increased.
半導体発光素子の傾きを解消する別の方法としては、リフローによりバンプを溶融させた後に、半導体発光素子が実装基板の実装面に対して平行になるように、半導体発光素子を押さえつけることもできる。実装面と平行に押さえつけることにより、nバンプは小さく変形し、pバンプは大きく変形する。pバンプは、大きく変形する際に横方向(実装面と平行な方向)にはみ出すため、nバンプやn電極に接触する等が起きて、短絡を生じるおそれがある。 As another method for eliminating the inclination of the semiconductor light emitting element, the semiconductor light emitting element can be pressed so that the semiconductor light emitting element is parallel to the mounting surface of the mounting substrate after the bumps are melted by reflow. By pressing in parallel with the mounting surface, the n bump is deformed to a small extent and the p bump is deformed to a large extent. Since the p-bump protrudes in the lateral direction (direction parallel to the mounting surface) when greatly deformed, it may cause a short circuit due to contact with the n-bump or n-electrode.
そこで、本発明は、電極材料のマイグレーションを抑制する必要がある半導体素子において、同じ厚さのnバンプとpバンプを用いても、nバンプの頂点位置とpバンプの頂点位置との高さの差を抑えることのできる半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a semiconductor element that needs to suppress migration of electrode material, even if n bumps and p bumps having the same thickness are used, the height of the apex position of the n bump and the apex position of the p bump. It is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device capable of suppressing the difference and a manufacturing method thereof.
本発明に係る半導体発光素子は、
下から順に積層した第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層と前記活性層とを貫いて前記第1導電型半導体層を露出させるための第1の開口と、
前記第1の開口の内部に設けられ、前記第1の開口から露出した前記第1導電型半導体層と電気的に接続しており、第1パッドを含む第1電極と、
前記第2導電型半導体層の上面に設けられ且つ前記第2導電型半導体層とオーミック接触するオーミック金属層と、少なくとも前記オーミック金属層の外縁部を覆い且つ第2の開口を有する保護金属層と、前記第2の開口から露出した前記オーミック金属層の露出面を覆う第2パッドと、を含み、前記第2導電型半導体層と電気的に接続している第2電極と、を有する半導体素子であって、
前記第2パッドの厚さが前記保護金属層の厚さより薄く、前記第2パッドの上面が前記保護金属層の上面より下にあり、
前記第1パッド上に設けられた第1バンプと、その第1のバンプとほぼ同じ厚さを有し第2パッド上に設けられた第2バンプと、
を有することを特徴とする。
The semiconductor light emitting device according to the present invention is
A first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer stacked in order from the bottom;
A first opening for exposing the first conductive semiconductor layer through the first conductive semiconductor layer and the active layer;
A first electrode provided in the first opening, electrically connected to the first conductive semiconductor layer exposed from the first opening, and including a first pad;
An ohmic metal layer provided on an upper surface of the second conductive semiconductor layer and in ohmic contact with the second conductive semiconductor layer; a protective metal layer covering at least an outer edge of the ohmic metal layer and having a second opening; And a second pad covering the exposed surface of the ohmic metal layer exposed from the second opening, and a second electrode electrically connected to the second conductivity type semiconductor layer Because
The thickness of the second pad is less than the thickness of the protective metal layer, and the upper surface of the second pad is below the upper surface of the protective metal layer;
A first bump provided on the first pad, and a second bump provided on the second pad having substantially the same thickness as the first bump;
It is characterized by having.
また、本発明に係る半導体発光素子を製造するための方法は、
下から順に、第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を積層する工程と、
前記半導体積層体の前記第2導電型半導体層及び前記活性層を部分的に除去して、前記第1導電型半導体層を露出させる第1の開口を形成する工程と、
前記第1の開口内に、前記第1の開口から露出した前記第1導電型半導体層と電気的に接続し且つ第1パッドを含む第1電極を形成する工程と、
前記第2導電型半導体層と電気的に接続している第2電極を形成する工程であって、
前記第2導電型半導体層の上面にオーミック金属層を形成する過程と、
前記オーミック金属層を覆う保護金属層を形成する過程と、
前記保護金属層に第2の開口を形成する過程と、
前記第2の開口から露出した前記オーミック金属層の露出面を覆う第2パッドを、前記第2パッドの上面が前記保護金属層の上面より下になるように形成する過程と、を含む第2電極形成工程と、
前記第1パッド上の第1バンプと、前記第2パッド上の第2バンプとを形成するバンプ形成工程と、を含むことを特徴とする。
In addition, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention includes:
Laminating the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer in order from the bottom;
Partially removing the second conductive semiconductor layer and the active layer of the semiconductor stacked body to form a first opening exposing the first conductive semiconductor layer;
Forming a first electrode in the first opening that is electrically connected to the first conductive semiconductor layer exposed from the first opening and includes a first pad;
Forming a second electrode electrically connected to the second conductive semiconductor layer,
Forming an ohmic metal layer on the upper surface of the second conductive semiconductor layer;
Forming a protective metal layer covering the ohmic metal layer;
Forming a second opening in the protective metal layer;
Forming a second pad covering an exposed surface of the ohmic metal layer exposed from the second opening so that an upper surface of the second pad is lower than an upper surface of the protective metal layer. An electrode forming step;
And a bump forming step of forming a first bump on the first pad and a second bump on the second pad.
本発明によれば、第2パッドの上面を、前記保護金属層の上面より下にすることにより、第2パッドの上面に形成されるpバンプの頂点位置が高くなり過ぎるのを抑えることができる。これにより、第2パッドの上面に形成される第2バンプの頂点位置と、第1パッドの上面に形成される第1バンプの頂点位置の高さの差を抑えることができる。
According to the present invention, by making the upper surface of the second pad below the upper surface of the protective metal layer, it is possible to suppress the apex position of the p bump formed on the upper surface of the second pad from becoming too high. . Thereby, the difference in height between the apex position of the second bump formed on the upper surface of the second pad and the apex position of the first bump formed on the upper surface of the first pad can be suppressed.
半導体発光素子において、電極材料のマイグレーションは、半導体発光素子内での短絡の原因となり得る。よって、半導体発光素子の故障を回避するためには、マイグレーションの防止は重要な課題である。これまでも、例えばAl等の金属材料から成る保護金属層によってマイグレーションを抑制する試みがされており、マイグレーション抑制効果を十分に発揮するためには、十分な厚さの保護金属膜によってマイグレーションを起こしやすい電極材料全体を被覆することが必要とされてきた。
本願発明では、オーミック金属層の端部(外縁部)が最もマイグレーションしやすい傾向にあり、それ以外の領域はマイグレーション危険性が比較的少ないため、オーミック金属層の外縁部を厚膜の保護金属膜で被覆できていれば、それ以外の領域は比較的薄い金属膜で覆うだけで、マイグレーションを十分に抑制できることを見いだし、本発明に至ったものである。
In the semiconductor light emitting device, migration of the electrode material can cause a short circuit in the semiconductor light emitting device. Therefore, prevention of migration is an important issue in order to avoid failure of the semiconductor light emitting device. Until now, attempts have been made to suppress migration with a protective metal layer made of a metal material such as Al. For example, in order to sufficiently exhibit the migration suppression effect, migration is caused by a protective metal film having a sufficient thickness. It has been necessary to coat the entire facile electrode material.
In the present invention, the end portion (outer edge portion) of the ohmic metal layer tends to migrate most easily, and the risk of migration is relatively small in other regions. Therefore, the outer edge portion of the ohmic metal layer is formed as a thick protective metal film. Thus, the present inventors have found that the migration can be sufficiently suppressed only by covering the other region with a relatively thin metal film.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語)を用いる。それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, terms indicating specific directions and positions (for example, “up”, “down”, “right”, “left” and other terms including those terms) are used as necessary. . The use of these terms is to facilitate understanding of the invention with reference to the drawings, and the technical scope of the present invention is not limited by the meaning of these terms. Moreover, the part of the same code | symbol which appears in several drawing shows the same part or member.
<実施の形態1>
図1〜図2に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子10は、透光性の基板11と、基板11の上面11aに設けられた半導体積層体12と、半導体積層体12に通電するための電極20、30と、電極上に設けられたバンプ40、50を含んでいる。
<Embodiment 1>
As shown in FIGS. 1 to 2, the semiconductor
半導体積層体12は複数の半導体層から構成されており、基板11側から、第1導電型半導体層(n型半導体層)13、活性層14及び第2導電型半導体層(p型半導体層)15をこの順に有している。半導体積層体12には、p型半導体層15と活性層14とを貫通してn型半導体層13に達する第1の開口16が設けられている。第1の開口16からはn型半導体層13の一部(n型半導体層13の露出面13e)が露出している。
The semiconductor stacked
開口16の内部には第1電極(n電極)20が設けられており、第1の開口16から露出したn型半導体層13と電気的に接続している。n電極20は第1パッド(nパッド)23を含んでいる。なお、本実施の形態では、n電極20はnパッド23のみから形成されているが、これに限定されず、例えばn型半導体層13とnパッド23との間に別の導電材料層を設けることもでき、nパッド23の上にさらに別の導電材料層を設けることもできる。
nパッド23の上には、n電極20と電気的に接続している第1バンプ(nバンプ)40が設けられている。
A first electrode (n electrode) 20 is provided inside the
A first bump (n bump) 40 that is electrically connected to the
p型半導体層15の上面15aには、p型半導体層15と電気的に接続している第2電極(p電極)30が設けられている。図3に詳細に示すように、p電極30は、少なくとも、オーミック金属層31と、保護金属層32と、第2パッド(pパッド)33とを含んでいる。
オーミック金属層31は、p型半導体層15の上面15aに直接設けられており、p型半導体層15とオーミック接触している。オーミック金属層31は、p型半導体層15とオーミック接触する金属材料から形成されており、例えばAgから形成することができる。
A second electrode (p electrode) 30 that is electrically connected to the p-
The
保護金属層32は、オーミック金属層31を覆うことによってオーミック金属層31を外部環境から保護し、またオーミック金属層31のマイグレーションを抑制する機能を有する。そのため、保護金属層32は、オーミック金属層31に使用される金属材料よりも、マイグレーションを生じにくい金属材料から形成される。例えば、オーミック金属層31をAgから形成する場合、保護金属層32は、Alから形成することができる。
The
本発明では、保護金属層32には第2の開口321が形成されている。この第2の開口321は保護金属層32を完全に貫通しているので、開口321からはオーミック金属層31が露出している。そのため、オーミック金属層31のマイグレーションは、保護金属層32だけでは十分に抑制できない。そこで、開口321から露出しているオーミック金属層31の露出面31eをpパッド33で覆うことにより、オーミック金属層31のマイグレーションを効果的に抑制している。なお、オーミック金属層31からのマイグレーション防止の効果を考慮すると、露出面31eの面積のうち、pパッド33で覆われている割合が高いほうが好ましい。例えば、露出面31eの50%以上がpパッド33で覆われているのが好ましく、より好ましくは、露出面31eの70%以上、特に好ましくは90%以上、最も好ましくは100%がpパッド33で覆われている。
In the present invention, a
第2の開口321は、オーミック金属層31の外縁部31aが第2の開口321から露出しないような位置に形成されている。つまり、オーミック金属層31の外縁部31aの全てが、保護金属層32によって覆われている。
pパッド)33は、オーミック金属層31に使用される金属材料よりも、マイグレーションを生じにくい金属材料から形成される。
The
The
ここで、オーミック金属層31のマイグレーションについて検討すると、外縁部31aからのマイグレーションが最も起こりやすい。よって、少なくともオーミック金属層31の外縁部31aは十分に厚膜にした保護金属層32で覆って、マイグレーションを抑制するのが望ましい。
一方、オーミック金属層31の露出面31eは、外縁部31aを除いて設けられているので(つまり、保護金属層32の第2の開口321は、外縁部31aが露出しないように位置決めされているので)、露出面31eからのマイグレーションは、外縁部31aに比べると起こりにくいといえる。但し、露出したままであれば、短絡等の問題を引き起こし得る程度にはマイグレーションを生じるので、露出面31eを覆ってマイグレーションを抑制する必要はある。
Here, considering the migration of the
On the other hand, the exposed
そこで、本発明では、露出面31eを、pパッド33で覆うことにより、露出面31eからのマイグレーションを抑制している。なお、上述したように、露出面31eからのマイグレーションは比較的起こりにくいので、保護金属層32のような厚い金属膜で覆う必要はなく、薄いpパッド33で覆うことで、十分にマイグレーションを抑制することができる。
このように、マイグレーション抑制効果を損なうことなしに、pパッド33の厚さ30tを、保護金属層32の厚さ32tより薄くすることができる。よって、pパッド33の上面33aは、保護金属層32の上面32aよりも下に位置している。
Therefore, in the present invention, the migration from the exposed
Thus, the thickness 30 t of the
図3に詳細に示すように、基板11の下面と直交する方向を「z方向」とすると、オーミック金属層31の露出面31eの上側において、pパッド33のz方向の寸法(厚さ33t)は保護金属層32のz方向の寸法(厚さ32t)よりもΔT1だけ薄い。これにより、pパッド33の上面33aは、保護金属層32の上面32aよりもΔT1だけ下に位置させることができる。
As shown in detail in FIG. 3, assuming that the direction orthogonal to the lower surface of the
pパッド33の上面33aには、p電極30と電気的に接続している第2バンプ(pバンプ)50が設けられる。pパッド33の上面33aが保護金属層32の上面32aよりもΔT1だけ下に位置するので、保護金属層32の上面32aからpバンプ50の頂点までの距離は(pバンプ50の厚さ50t−ΔH1)となる。
A second bump (p bump) 50 that is electrically connected to the
もし、本発明のような保護金属層32の開口321を形成しなかった場合には、図5に示す半導体発光素子100のように、オーミック金属層310の上面150a全てを保護金属層320で覆うことになる。pパッド330は、保護金属層32の上面32aに形成されるので、pパッド330の上面330aは、保護金属層320の上面320aよりも、pパッド330の厚さΔH2だけ上側に位置することになる。そのため、保護金属層320の上面320aからpバンプ500の頂点までの高さは、(pバンプ500の厚さ500t+ΔH2)となる。
If the
本実施の形態の半導体発光素子10と比較例の半導体発光素子100とにおいて、保護金属層の上面からpバンプの頂点までの距離を比べると、{(pバンプ500の厚さ500t+ΔH2)−(pバンプ50の厚さ50t−ΔH1)だけ、本実施の形態の半導体発光素子10のほうが距離は短い。ここで、pバンプ50、500の厚さが等しければ、本実施の形態の半導体発光素子10のほうが、保護金属層の上面からpバンプの頂点までの距離が(ΔH1+ΔH2)だけ短い。
When the distance from the upper surface of the protective metal layer to the apex of the p bump is compared between the semiconductor
つまり、本実施の形態の半導体発光素子10は、pバンプ50の頂点位置を低く抑えることができるので、pバンプ50の頂点位置とnバンプ40の頂点位置との間の高さの差(z方向における位置の差)を小さくできる。よって、半導体発光素子10をフリップチップ実装する際に、半導体発光素子10の基板11の下面が実装面に対してできるだけ平行になるように、半導体発光素子10を実装することができる。
That is, since the semiconductor
また、図5に示すような半導体発光素子100の場合に、リフローによりバンプ40、50を溶融させた後に、半導体発光素子100が実装基板の実装面に対して平行になるまで半導体発光素子100を押さえるためには、大きな荷重をかけて、pバンプ500を大きく変形させる必要がある。pバンプ500を大きく変形させるとy方向にはみ出して、nバンプ400や、実装基板のn側外部電極(図示せず)に接触して、短絡を生じるおそれがある。
In the case of the semiconductor
これに対して、図3に示すような本実施の形態に係る半導体発光素子10では、pバンプ50の頂点位置とnバンプ40の頂点位置との間の高さの差(z方向における位置の差)が比較的小さいので、半導体発光素子10が実装基板の実装面に対して平行になるまで半導体発光素子10を押さえ場合にも、小さな荷重をかけるだけでよく、またpバンプ50の変形量も小さくてよい。よって、pバンプ50の変形による短絡を起こりにくくすることができる。
In contrast, in the semiconductor
このように、本発明によれば、nバンプ40の頂点位置とpバンプ50の頂点位置との間の高さの差を抑制することができるので、同じ厚さのnバンプ40とpバンプ50とを備えることができる。よって、nバンプ40とpバンプ50とを同時に形成することができ、且つその後にpバンプ50だけを加工する必要がない。これにより、バンプ形成にかかるコストを抑制することができる。
As described above, according to the present invention, a difference in height between the apex position of the
図3に示すように、p電極30は、保護金属層32に設けた開口321の内側面321cを覆い、且つpパッド33と接触している内側面被覆層34をさらに含むことができる。例えば、保護金属層32に使用される金属材料は、オーミック金属層31よりマイグレーションしにくいという物性の他に、光に対する反射率が高いものが望ましい。そのような物性を満たすような金属材料(例えばAl)は、オーミック金属層31に好適なAgに比べるとマイグレーションを起こしにくいものの、僅かながらマイグレーションを起こすおそれがある。
As shown in FIG. 3, the p-
そこで、保護金属層32に使用される材料(例えばAl)よりも、さらにマイグレーションを起こしにくい金属材料から成る内側面被覆層34によって、保護金属層32が露出する開口321の内側面321cを覆うのが好ましい。内側面被覆層34をpパッド33と接触させることにより、開口321の内側面321cを完全に覆うことができる。
なお、pパッド33と内側面被覆層34とは、他の金属層のマイグレーションを抑制するという同様の機能を有するため、pパッド33と内側面被覆層34とを同じ材料から形成してもよい。その場合には、pパッド33と内側面被覆層34とを同時に形成できる利点がある。
なお、pパッド33と内側面被覆層34と異なる材料から形成してもよく、その場合には、まず、オーミック金属層31の露出部31eを覆うpパッド33を形成し、次いで、開口321の内側面321cから露出した保護金属層32を覆う内側面被覆層34を形成する。
Therefore, the
The
The
ところで、活性層14で発光した光は、n型半導体層13を通って基板11側から取り出す形態では、p型半導体層15の方向に進んだ発光を基板11側に反射することにより、半導体発光素子10の光取出し効率を向上させることができる。そこで、オーミック金属層31は、p型半導体層15の方向に進んだ発光を効率よく反射できるように、光の反射率の高い金属材料から形成するのが好ましい。例えば、Agは発光に対する反射率が高いので、オーミック金属層31を形成する材料として好適である。
また、オーミック金属層31に好適なAgは、酸化等による変色が原因で反射率が低下することがあるが、本発明では、保護金属層32とpパッド33とによりオーミック金属層31を外気から遮断できるので、Agから成るオーミック金属層31であっても、酸化等による変色を効果的の抑制することができる。
By the way, in the form in which the light emitted from the
Further, Ag suitable for the
また、図3から分かるように、保護金属層32のうち、オーミック金属層31の周囲に形成された部分は、p型半導体層15に接触している。よって、p型半導体層15の方向に進んで保護金属層32に到達した発光を効率よく反射できるように、光の反射率の高い金属材料から形成するのが好ましい。例えば、Alは、Agに比べると光の反射率が劣るものの、他の金属材料(例えばAu、Cu等)に比べると十分に高い反射率を有しているので好ましい。
As can be seen from FIG. 3, the portion of the
なお、pパッド33は、オーミック金属層31の上面の一部を覆うように形成されているので、pパッド33には発光が到達しない。よって、pパッド33は、光の反射率の低い材料を用いても、光取出し効率を低下させるおそれがない。
Since the
本実施の形態で詳述した半導体発光素子10では、保護金属層32に形成された第2の開口321は保護金属層32を完全に貫通している。しかしながら、完全に貫通した第2の開口321の代わりに、保護金属層32に、十分な深さを有する凹みを設けることもできる。pバンプ50の頂点位置とnバンプ40の頂点位置との間の高さの差を小さくする観点から、凹みの深さがpパッド33の厚さ33tより大きくする必要がある。
凹みの底面における保護金属層32の厚さを十分に薄くすることにより、pバンプ50の頂点位置とnバンプ40の頂点位置との間の高さの差を十分に抑制することができる。凹みの底面に残される保護金属層32は、オーミック金属層31のマイグレーションを抑制する効果があり、特に、その厚さが2μm以上であると、マイグレーション抑制効果が高まるので好ましい。
In the semiconductor
By sufficiently reducing the thickness of the
本実施の形態の半導体発光素子10を形成するためには、本質的には以下の工程(i)〜(v)を含んでいる。
工程(i)下から順に、n型半導体層13、活性層14及びp型半導体層15を積層して、半導体積層体12を形成する工程
工程(ii)半導体積層体12のp型半導体層15及び活性層14を部分的に除去して、n型半導体層13を露出させるための開口16を形成する工程
工程(iii) 開口16内に、開口16から露出したn型半導体層13と電気的に接続し且つnパッド23を含むn電極20を形成する工程
工程(iv)p型半導体層15と電気的に接続しているp電極30を形成する工程
工程(v)nパッド23上にnバンプ40を、p電極30に含まれるpパッド33上にpバンプ50を形成するバンプ形成工程
In order to form the semiconductor
Step (i) Step of forming the semiconductor stacked
上述の工程(iv)「p電極30を形成する工程」は、以下の過程(vi)-1〜(vi)-4を含んでいる。
過程(vi)-1 p型半導体層15の上面15aにオーミック金属層31を形成する過程
過程(vi)-2 オーミック金属層31を覆う保護金属層32を形成する過程
過程(vi)-3 保護金属層32に開口321を形成する過程
過程(vi)-4 開口321から露出したオーミック金属層31の露出面31eの全面を覆うpパッド33を、pパッド33の上面33aが保護金属層32の上面32aより下になるように形成する過程
The above-described step (iv) “step of forming the
Process (vi) -1 Process for forming the
さらに、工程(iv)「p電極30を形成する工程」は、
過程(vi)-5 開口321の内側面321cを覆い且つpパッド33と接触している内側面被覆層34を形成する過程
をさらに含むことができる。なお、過程(vi)-5は、過程(vi)-4とを同時に行うことができる。
Further, the step (iv) “step of forming the p-
Step (vi) -5 The method may further include the step of forming the inner side
上述の各工程及び各過程は、別々に順次行うこともできるが、いくつかの工程及び/又は過程を同時に行うこともできる。実際の製造ラインにおいては、実際の工程数を減少するために、上述した工程のいくつかは、同時に行うような手順が採用され得る。例えば、工程(iii)における「nパッド23」の形成と、工程(vi)の過程(vi)-4における「pパッド33」の形成とは、同時に行うことができるだろう。
以下に、半導体発光素子10の製造における具体的な手順を、図4A〜図4Iを参照しながら説明する。
Each of the steps and processes described above can be performed separately in sequence, but several steps and / or processes can be performed simultaneously. In an actual production line, in order to reduce the actual number of processes, a procedure in which some of the processes described above are performed simultaneously may be employed. For example, the formation of “
Below, the specific procedure in manufacture of the semiconductor light-emitting
<1.半導体積層体12の形成:工程(i)>
基板11の上面11aの全体に、n型半導体層13を形成する(図4A)。そして、n型半導体層13の上面全体に、半導体材料から成る活性層14を形成し、さらに活性層14の上面全体にp型半導体層15を積層する。このように、半導体材料層を積層して、半導体積層体12を形成する。
<1. Formation of semiconductor laminate 12: Step (i)>
An n-
<2.第1の開口16の形成:工程(ii)>
半導体積層体12の上面(つまり、p型半導体層15の上面15a)側から、半導体積層体12の一部を除去して、1つ以上の開口16を形成する(図2、図4A)。図2の断面図には、3つの開口16が図示されている。
この開口16は、p型半導体層15と活性層14とを部分的に除去して形成される。言い換えると、開口16は、半導体積層体12の上面(つまり、p型半導体層15の上面15a)から、p型半導体層15と活性層14とを貫通するように形成されている。これにより、開口16の形成範囲においては、n型半導体層13より上側に形成された半導体層(p型半導体層15と活性層14)が除去されるので、開口16からn型半導体層13の露出面13eが露出する。
なお、本実施の形態においては、開口16は、p型半導体層15と活性層14とを貫通し、さらにn型半導体層13の厚さの一部を除去して形成されているため、n型半導体層13の厚さの途中まで達する有底穴となっている。
<2. Formation of first opening 16: step (ii)>
One or
The
In the present embodiment, the
<3.オーミック金属層31及び保護金属層32の形成:過程(vi)-1、過程(vi)-3>
p型半導体層15の上面15aの一部に、金属材料から成るオーミック金属層31を形成し、さらに、オーミック金属層31を全て覆うように、金属材料から成る保護金属層32を形成する(図4A)。
<3. Formation of
An
<4.絶縁膜17の形成>
半導体積層体12及び保護金属層32を外部から絶縁するために、半導体積層体12の表面全体(開口16の内側面と、開口16から露出したn型半導体層13の露出面13eとを含む)と保護金属層32の表面全体を、絶縁性材料から成る絶縁膜17で被覆する(図4B)。
<4. Formation of insulating
In order to insulate the semiconductor stacked
<5.保護金属層32の開口321の形成、絶縁膜17の除去:過程(vi)-3>
オーミック金属層31を全て覆っている保護金属層32に、オーミック金属層31を露出させるための開口321を形成する。同時に、開口16から露出したn型半導体層13の露出面13eを覆う絶縁膜17に開口17xを形成し、保護金属層32覆う絶縁膜17に開口17yを形成する(図4D)。これらの開口は、エッチング等(ドライエッチング、ウェットエッチング)により、同時に形成することができる。なお、保護金属層32の開口321と保護金属層32上における絶縁膜17の開口17yとは、上面視において同一の寸法形状を有している。
<5. Formation of
An
まず、絶縁膜17の上にエッチング用のマスク91を形成する(図4C)。このマスク91には、保護金属層32の開口321及び(保護金属層32上における)絶縁膜17の開口17yに対応する開口部91yと、(開口16から露出したn型半導体層13の露出面13e上における)絶縁膜17の開口17xに対応する開口部91xとを備えている。なお、開口部91yの直下にはオーミック金属層31の外縁部31aが位置しないように、開口部91yは形成されている。
First, an
次いで、エッチング等を行うことにより、マスク91の開口部91x、91yに合わせて、絶縁膜17と保護金属層32とを部分的に除去することができる(図4D)。このように、絶縁膜17に開口17xを形成することにより、開口16から露出したn型半導体層13の露出面13eを部分的に又は全て露出させることができる。そして、絶縁膜17に開口17yを形成し且つ保護金属層32に開口321を形成することにより、オーミック金属層31を部分的に露出させることができる。
なお、オーミック金属層31の外縁部31aがマスク91の開口部91yの直下に位置しないように、マスク91を設けているので、保護金属層32のうちオーミック金属層31の外縁部31aを覆っている部分は、エッチングされずに残る。
Next, by performing etching or the like, the insulating
In addition, since the
<6.金属層63の形成:工程(iii)、過程(vi)-4、過程(vi)-5>
次に、nパッド23及びpパッド33用の金属層63(パッド用金属層63)を形成する。スパッタリングにより、マスク91の表面と、マスク91の開口部91x、91yから露出している面とを覆うパッド用金属層63を形成する(図4E)。
ここで「マスク91の開口部91xから露出している面」とは、開口16から露出したn型半導体層13の露出面13eである(図4D)。また、「マスク91の開口部91yから露出している面」とは、少なくとも、オーミック金属層31の露出面31eを少なくとも含み、絶縁膜17の開口17yの内側面と、保護金属層32の開口321の内側面321cとを含むこともできる。
<6. Formation of metal layer 63: step (iii), step (vi) -4, step (vi) -5>
Next, a metal layer 63 (pad metal layer 63) for the
Here, the “surface exposed from the
このように形成されたパッド用金属層63は、開口16から露出したn型半導体層と電気的に接続している。そのため、パッド用金属層63の一部を分離することにより、「開口16から露出したn型半導体層13と電気的に接続したnパッド23」を形成することができる。また、パッド用金属層63は、保護金属層32の開口321から露出したオーミック金属層31の露出面31eの全面を覆っている。そのため、パッド用金属層63の一部を分離することにより、「開口321から露出したオーミック金属層31の露出面31eの全面を覆っているpパッド33」を形成することもできる。
The
また、パッド用金属層63の厚さ63t(pパッド33の厚さ33tに相当)は、保護金属層32の厚さ32tよりΔH1だけ薄くされている。これにより、オーミック金属層31直上におけるパッド用金属層63の上面63a(pパッド33の上面33aに相当)を、保護金属層32の上面32aよりΔH1だけ下側に位置させることができる。
Further, (corresponding to the thickness 33t of the p-pad 33) the thickness 63t of the
パッド用金属層63は、さらに保護金属層32の開口321の内側面321cを覆うことができる。これにより、パッド用金属層63の分離後に、開口321の内側面321cを覆い且つpパッド33と接触している内側面被覆層34を形成することができる。
なお、パッド用金属層63を形成するときのスパッタリングの条件によっては、スパッタ方向と垂直な面には成膜されにくい。つまり、p型半導体層15の上面15a側からスパッタリングを行う場合、上面15aと垂直な保護金属層32の開口321の内側面321cには成膜されにくい。よって、内側面被覆層34を備えた半導体発光素子10を形成する場合には、保護金属層32の開口321の内側面321c上にもパッド用金属層63が十分に成膜されるようにスパッタリングの条件を制御するのが好ましい。
The
Depending on the sputtering conditions when forming the
<7.nバンプ40、pバンプ50の形成:工程(v)>
図4F〜図4Hに示す手順により、nバンプ40とpバンプ50を同時に形成する。
まず、パッド用金属層63の全面にフォトリソグラフィ用のレジスト層92を形成する。その後、フォトリソグラフィにより、レジスト層92に開口部92x、92yを形成する(図4F)。開口部92xは、開口16から露出したn型半導体層13の露出面13eを覆っているパッド用金属層63の部分(後に、nパッド23となる部分)がレジスト層92から露出するように設けられている。開口部92yは、オーミック金属層31の露出面31eを覆っているパッド用金属層63の部分(後に、pパッド33となる部分)がレジスト層92から露出するように設けられている。
<7. Formation of
The
First, a resist
次に、メッキ法(電解メッキ又は無電解メッキ)により、レジスト層92の開口部92x、92yの内部に金属製のバンプ40、50を形成する(図4G)。開口部92xの中にはnバンプ40が形成されており、後にnパッド23となるパッド用金属層63の部分の上に設けられている。開口部92yの中にはpバンプ50が形成されており、後にpパッド33となるパッド用金属層63の部分の上に設けられている。
nバンプ40とpバンプ50とを、メッキ法による同じ工程で形成しているので、nバンプ40の厚さ40tと、pバンプ50の厚さ50tとはほぼ等しくなる。
その後、レジスト層92を除去する(図4H)。
Next, metal bumps 40 and 50 are formed inside the
Since the
Thereafter, the resist
<8.パッド用金属層63の分離>
エッチング用のマスク91を、その表面を覆うパッド用金属層63と共に除去することにより、パッド用金属層63を、nパッド23と、pパッド33(及び内側面被覆層34)とに分離する(図4H〜図4I)。詳細には、開口16から露出したn型半導体層13と接触していたパッド用金属層63(破線x−xで挟まれた範囲)は除去されずに残って、nパッド23になる。また、オーミック金属層31の露出面31eと保護金属層32の開口321の内側面321cとに接触していたパッド用金属層63(破線y−yで挟まれた範囲)も除去されずに残って、pパッド33と内側面被覆層34とになる。
<8. Separation of
By removing the
図4A〜図4Iを参照しながら説明した半導体発光素子10の製造方法は一例であり、これに限定されない。
例えば、パッド23、33の形成において、まず連続したパッド用金属層63を形成し(図4E)、後にnパッド23と、pパッド33及び内側面被覆層34とに分離しているが(図4I)、初めから分離したパッド用金属層63とすることもできる。
The method for manufacturing the semiconductor
For example, in forming the
以下に、実施の形態の各構成部材に適した材料を説明する。 Below, the material suitable for each structural member of embodiment is demonstrated.
(オーミック金属層31)
オーミック金属層31は、p型半導体15とオーミックコンタクトする金属材料から形成される。好適な材料としては、例えば、Ag及びAgの合金がある。このAgの合金としては、例えば、Agと、Pt、Co、Au、Pd、Ti、Mn、V、Cr、Zr、Rh、Cu、Al、Mg、Bi、Sn、Ir、Ga、Nd及びReからなる群から選択される1種又は2種以上の金属との合金が挙げられる。なお、NiのようなAgと合金化されにくい元素(つまり、銀との反応が抑制されやすい元素)と、Agとの合金においては、Agの層中にNi原子を含んだ状態のものであってもよい。また、オーミック金属層31を積層構造とすることもでき、p型半導体15側から、Ag/Ni/Ti/Ruの積層構造を有する金属層から形成することができる。
(Ohmic metal layer 31)
The
(保護金属層32)
保護金属層32は、オーミック金属層31のマイグレーションを抑制するものであるので、オーミック金属層31に使用される金属材料よりもマイグレーションを起こしにくい金属材料から形成される。また、保護金属層32には、半導体積層体12の活性層14から発光される光が到達しうるので、発光に対する反射率の高い材料が特に好ましい。好適な材料としては、例えば、Al、Al合金、Au、Ti、Rh、SiN、SiO2またはこれら材料を含む積層構造等が挙げられる。
(Protective metal layer 32)
Since the
(nパッド23、pパッド33、内側面被覆層34)
nパッド23は、n型半導体層13と導通させるものであるので、n型半導体層13とオーミックコンタクトする金属材料から形成される。
pパッド33は、保護金属層32の開口321から露出したオーミック金属層31のマイグレーションを抑制するものであるので、オーミック金属層31に使用される金属材料よりもマイグレーションを起こしにくい金属材料から形成される。
内側面被覆層34は、開口321の内側面321cから露出した保護金属層32のマイグレーションを抑制するものであるので、保護金属層32に使用される金属材料よりもマイグレーションを起こしにくい金属材料から形成される。
nパッド23、pパッド33及び内側面被覆層34は、同時に形成することができるように、同じ材料から形成されているのが好ましい。nパッド23、pパッド33及び内側面被覆層34は、例えば、半導体積層体12側から、AlCuSi/Ti/Pt/Auの積層構造を有する金属層から形成することができる。
(
Since the
Since the p-
The inner side
The
(nバンプ40、pバンプ50)
nバンプ40、pバンプ50は、リフローにより溶融して、半導体発光素子10を実装基板に実装できる金属材料が使用される。好適な材料としては、例えば、Au、Au-Sn合金、Au-Ag合金、Sn-Cu系(Sn-Cu、Sn-Cu-Ni-Ge)、Sn-Ag系(Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi-In)、Sn-Bi系(Sn-Bi、Sn-Bi-Ag、Sn-Bi-Cu)、Sn-Pb等が使用できる。
(
The
(基板11)
基板11としては、活性層14から発光される光に対して透明な材料が利用される。例えば、サファイア、スピネル等の絶縁性基板、GaN等の導電性基板を用いることができる。
(Substrate 11)
As the
(半導体積層体12)
半導体積層体12は、n型半導体層13、活性層14及びp型半導体層15を含んでいる。これらの半導体層は、InXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)等の窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。また、n型半導体層13、活性層14及びp型半導体層15は、それぞれ単層構造でもよいが、組成及び膜厚等の異なる層の積層構造、超格子構造等であってもよい。特に、活性層14は、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸又は多重量子井戸構造であることが好ましい。
(Semiconductor laminate 12)
The semiconductor stacked
(絶縁膜17)
絶縁膜17は、絶縁膜からなるものであって、特に酸化膜からなるものが好ましい。好適な材料としては、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)やZr酸化膜(ZrO2)等が挙げられる。
(Insulating film 17)
The insulating
図3に示すような本発明に係る半導体発光素子10におけるnバンプ40とpバンプ50の高さの差Hd1と、図5に示すような比較例の半導体発光素子100におけるnバンプ400とpバンプ500の高さの差Hd2とを比較した。
各構成の厚さを表1に、高さの差を表2に示す。
The difference Hd 1 in height between the
Table 1 shows the thickness of each component, and Table 2 shows the difference in height.
この結果から分かるように、実施例1の半導体発光素子10では、nバンプ40とpバンプ50との高さの差Hd1が1.6μmであった。一方、比較例1の半導体発光素子100では、nバンプ400とpバンプ500との高さの差Hd2が3.6μmと、実施例1の2倍以上の高さの差を生じた。
As can be seen from this result, in the semiconductor
10 半導体発光素子
11 基板
12 半導体積層体
13 n型半導体層(第1導電型半導体層)
14 活性層
15 p型半導体層(第2導電型半導体層)
20 第1電極(n電極)
23 第1パッド(nパッド)
30 第2電極(p電極)
31 オーミック金属層
31a 外縁部
32 保護金属層
321 第2の開口
33 第2パッド(pパッド)
40 第1バンプ(nバンプ)
50 第2バンプ(pバンプ)
DESCRIPTION OF
14 active layer 15 p-type semiconductor layer (second conductivity type semiconductor layer)
20 1st electrode (n electrode)
23 First pad (n-pad)
30 Second electrode (p-electrode)
31
40 1st bump (n bump)
50 Second bump (p bump)
Claims (4)
前記第2導電型半導体層と前記活性層とを貫いて前記第1導電型半導体層を露出させるための第1の開口と、
前記第1の開口の内部に設けられ、前記第1の開口から露出した前記第1導電型半導体層と電気的に接続しており、第1パッドを含む第1電極と、
前記第2導電型半導体層の上面に設けられ且つ前記第2導電型半導体層とオーミック接触するオーミック金属層と、少なくとも前記オーミック金属層の外縁部を覆い且つ第2の開口を有する保護金属層と、前記第2の開口から露出した前記オーミック金属層の露出面を覆う第2パッドと、を含み、前記第2導電型半導体層と電気的に接続している第2電極と、
を有する半導体素子であって、
前記第2パッドの厚さが前記保護金属層の厚さより薄く、前記第2パッドの上面が前記保護金属層の上面より下にあり、
前記第1パッド上に設けられた第1バンプと、その第1のバンプとほぼ同じ厚さを有し第2パッド上に設けられた第2バンプと、をさらに有することを特徴とする半導体発光素子。 A first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer stacked in order from the bottom;
A first opening for exposing the first conductive semiconductor layer through the second conductive semiconductor layer and the active layer;
A first electrode provided in the first opening, electrically connected to the first conductive semiconductor layer exposed from the first opening, and including a first pad;
An ohmic metal layer provided on an upper surface of the second conductive semiconductor layer and in ohmic contact with the second conductive semiconductor layer; a protective metal layer covering at least an outer edge of the ohmic metal layer and having a second opening; A second pad covering the exposed surface of the ohmic metal layer exposed from the second opening, and a second electrode electrically connected to the second conductivity type semiconductor layer,
A semiconductor device comprising:
The thickness of the second pad is less than the thickness of the protective metal layer, and the upper surface of the second pad is below the upper surface of the protective metal layer;
A semiconductor light emitting device, further comprising: a first bump provided on the first pad; and a second bump provided on the second pad having substantially the same thickness as the first bump. element.
前記半導体積層体の前記第2導電型半導体層及び前記活性層を部分的に除去して、前記第1導電型半導体層を露出させる第1の開口を形成する工程と、
前記第1の開口内に、前記第1の開口から露出した前記第1導電型半導体層と電気的に接続し且つ第1パッドを含む第1電極を形成する工程と、
前記第2導電型半導体層と電気的に接続している第2電極を形成する工程であって、
前記第2導電型半導体層の上面にオーミック金属層を形成する過程と、
前記オーミック金属層を覆う保護金属層を形成する過程と、
前記保護金属層に第2の開口を形成する過程と、
前記第2の開口から露出した前記オーミック金属層の露出面を覆う第2パッドを、前記第2パッドの上面が前記保護金属層の上面より下になるように形成する過程と、を含む第2電極形成工程と、
前記第1パッド上の第1バンプと、前記第2パッド上の第2バンプとを形成するバンプ形成工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 Laminating the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer in order from the bottom;
Partially removing the second conductive semiconductor layer and the active layer of the semiconductor stacked body to form a first opening exposing the first conductive semiconductor layer;
Forming a first electrode in the first opening that is electrically connected to the first conductive semiconductor layer exposed from the first opening and includes a first pad;
Forming a second electrode electrically connected to the second conductive semiconductor layer,
Forming an ohmic metal layer on the upper surface of the second conductive semiconductor layer;
Forming a protective metal layer covering the ohmic metal layer;
Forming a second opening in the protective metal layer;
Forming a second pad covering an exposed surface of the ohmic metal layer exposed from the second opening so that an upper surface of the second pad is lower than an upper surface of the protective metal layer. An electrode forming step;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising: a bump forming step of forming a first bump on the first pad and a second bump on the second pad.
前記第2パッド形成過程と内側面被覆層形成過程とを同時に行うことを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子の製造方法。 The second electrode forming step further includes a step of forming an inner surface covering layer that covers an inner surface of the second opening and is in contact with the second pad;
4. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein the second pad forming step and the inner side surface coating layer forming step are simultaneously performed.
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