JP2015079794A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の実施形態によれば、発光部と、第１金属層と、第２金属層と、中間層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記発光部は、半導体発光層を含む。前記第１金属層は、第１金属を含む。前記第２金属層は、前記第１金属層と前記発光部との間に設けられ、前記第１金属を含む。前記中間層は、前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられ第２金属を含む金属間化合物を含む。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
例えば、発光層を含む半導体層を、例えば、銅（Ｃｕ）基板と接合した、薄膜型のＬＥＤ（Light Emitting Diode)などの半導体発光素子がある。半導体発光素子において、信頼性を向上することが望まれる。
本発明の実施形態は、高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、発光部と、第１金属層と、第２金属層と、中間層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記発光部は、半導体発光層を含む。前記第１金属層は、第１金属を含む。前記第２金属層は、前記第１金属層と前記発光部との間に設けられ、前記第１金属を含む。前記中間層は、前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられ第２金属を含む金属間化合物を含む。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、半導体発光素子１１０は、発光部４０と、積層部３０と、を含む。積層部３０は、例えば、発光部４０を支持する。積層部３０は、第１金属層１０と、第２金属層２０と、中間層１５と、を含む。
第２金属層２０は、第１金属層１０と、発光部４０との間に設けられている。中間層１５は、第１金属層１０と第２金属層２０との間に設けられている。
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、半導体発光素子１１０は、発光部４０と、積層部３０と、を含む。積層部３０は、例えば、発光部４０を支持する。積層部３０は、第１金属層１０と、第２金属層２０と、中間層１５と、を含む。
第２金属層２０は、第１金属層１０と、発光部４０との間に設けられている。中間層１５は、第１金属層１０と第２金属層２０との間に設けられている。
半導体発光素子１１０は、例えば、ＧａＮ系窒化物半導体を材料とする発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。半導体発光素子１１０は、例えば、Thin-Film構造を有する。発光部４０には、例えば、ｎ形半導体層４１（例えば、ｎ形ＧａＮ層）と、発光層４２（半導体発光層）と、ｐ形半導体層４３（例えば、ｐ形ＧａＮ層）と、が設けられる。この例では、ｎ形半導体層４１と積層部３０との間に、ｐ形半導体層４３が配置される。ｎ形半導体層４１とｐ形半導体層４３との間に、発光層４２が配置される。発光層４２には、窒化物半導体などの半導体層が用いられる。発光層４２は、例えば、多重量子井戸構造を有している。
第１金属層１０から第２金属層２０へ向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直で、Ｘ軸方向に対して垂直な１つの方向をＹ軸方向とする。
例えば、積層部３０には、第１部分３０ａと、第２部分３０ｂと、が設けられる。第１部分３０ａは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、発光部４０と重なる領域である。第２部分３０ｂは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、発光部４０と重ならない領域である。
この例では、発光部４０と第１部分３０ａとの間に、反射電極５０が設けられている。反射電極５０には、例えば、銀（Ａｇ）が用いられる。反射電極５０は、発光層４２から放出された光を、光出射面４０ａの方向に向けて、反射する。
積層部３０の上には、例えば、シード層３１が設けられる。シード層３１と中間層１５との間に、第２金属層２０が配置される。ｎ形半導体層４１の上に、ｎ電極５１が設けられている。この例では、シード層３１の上に、ｐ電極５２が設けられている。ｐ電極５２は、積層部３０の下面に設けられても良い。ｐ電極５２は、例えば、シード層３１を介して、反射電極５０と電気的に接続されている。
第１金属層１０は、第１金属を含む。第１金属は、例えば、銅（Ｃｕ）及び金（Ａｕ）の少なくともいずれかを含む。第１金属層１０は、例えば、Ｃｕ層である。第１金属層１０の厚さｔ１は、例えば、１０μｍ（マイクロメートル）以上１５０μｍ以下である。好ましくは、１０μｍ以上７０μｍ以下である。
第２金属層２０は、上記の第１金属を含む。第２金属層２０は、例えば、Ｃｕ層である。第２金属層２０の厚さｔ２は、例えば、１０μｍ以上１５０μｍ以下である。好ましくは、１０μｍ以上７０μｍ以下である。厚さｔ２は、例えば、厚さｔ１と実質的に同じである。
中間層１５のヤング率は、第１金属層１０のヤング率よりも高く、第２金属層２０のヤング率よりも高い。すなわち、積層部３０の一部（例えば、厚さ方向の中央部分）に、ヤング率の高い中間層１５が設けられている。これにより、積層部３０の反りを抑制することができる。
中間層１５は、例えば、第１金属（例えば、Ｃｕ）と、第２金属と、を含む化合物を含む。第２金属は、例えば、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）及びビスマス（Ｂｉ）の少なくともいずれかを含む。
中間層１５は、例えば、第２金属を含む金属間化合物を含む。中間層１５は、例えば、第１金属と、第２金属と、の金属間化合物を含む。中間層１５の厚さは、例えば、５μｍ以上６０μｍ以下である。
積層部３０の厚さは、例えば、第１金属層１０の厚さｔ１と、第２金属層２０の厚さｔ２と、中間層１５の厚さと、の合計である。積層部３０の厚さは、例えば、５０μｍ以上３００μｍ以下である。これにより、半導体発光素子としての望ましい強度が得られる。そして、良好なダイシング性などが得られる。
一方、発光部４０の厚さと、ｎ電極５１の厚さと、の合計は、例えば、５μｍ程度である。発光部４０の厚さは、積層部３０の厚さに比べて薄い。発光部４０の厚さは、積層部３０の厚さの０．００５倍以上０．１倍以下程度である。
第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０の製造方法の例を説明する。
図２（ａ）〜図２（ｃ）及び図３（ａ）〜図３（ｆ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）〜図２（ｃ）及び図３（ａ）〜図３（ｆ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）に表したように、ウェーハ９０と、支持基板７０と、が用意される。ウェーハ９０には、成長用基板８０と、発光部４０となる半導体積層体４０ｓと、が設けられている。成長用基板８０の上に、半導体積層体４０ｓが設けられている。半導体積層体４０ｓは、例えば、エピタキシャル成長によって成長用基板８０の上に形成される。半導体積層体４０ｓにおいて、ｎ形半導体層４１、発光層４２及びｐ形半導体層４３が、この順で形成される。例えば、半導体積層体４０ｓは、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Vapor Deposition）法、または、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いて形成される。
成長用基板８０には、例えば、サファイア基板、または、シリコン（Ｓｉ）基板が用いられる。実施形態において、成長用基板８０は、任意である。
半導体積層体４０ｓ上に、反射電極５０を形成する。反射電極５０は、例えば、真空蒸着法によって形成される。
図２（ｂ）に表したように、ウェーハ９０の上に、シード層３１を形成する。シード層３１は、例えば、チタン（Ｔｉ）層及びＣｕ層を含む。例えば、スパッタ法によって、ウェーハ９０の上にＴｉ層を形成する。その上に、スパッタ法によって、Ｃｕ層を形成する。Ｔｉ層の厚さは、例えば約２００ナノメートル（ｎｍ）（例えば、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ）である。Ｃｕ層の厚さは、例えば６００ｎｍ（例えば３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下）である。
支持基板７０の上に、シード層３１ａを形成する。シード層３１ａは、シード層３１と同時に形成されてもよい。シード層３１ａは、シード層３１と同様の構成（材料、厚さ、及び、積層の構成など）を有しても良い。
図２（ｃ）に表したように、シード層３１の上に、第２金属膜２０ｆを形成する。第２金属膜２０ｆは、第２金属層２０となる。例えば、電解めっきによって、第２金属膜２０ｆが形成される。この例では、第２金属膜２０ｆ（第２金属層２０）には、Ｃｕが用いられる。その後、第２金属膜２０ｆの上に第２接合金属膜１５ｂを形成する。第２接合金属膜１５ｂは、例えば第２金属を含む。例えば、電解めっきによって、第２接合金属膜１５ｂが形成される。第２接合金属膜１５ｂには、例えば、Ｓｎ、ＩｎまたはＢｉなどの融点の低い金属が用いられる。
シード層３１ａの上に、第１金属膜１０ｆを形成する。第１金属膜１０ｆは、第１金属層１０となる。例えば、電解めっきによって、第１金属膜１０ｆが形成される。この例では、第１金属膜１０ｆ（第１金属層１０）には、Ｃｕが用いられる。第１金属膜１０ｆは、第２金属膜２０ｆと同時に形成しても良い。第１金属膜１０ｆは、第２金属膜２０ｆと同様の構成（材料、厚さ、及び、積層の構成など）を有しても良い。
第１金属膜１０ｆの上に、第１接合金属膜１５ａを形成する。例えば、電解めっきによって、第１接合金属膜１５ａが形成される。第１接合金属膜１５ａは、第２金属を含む。第１接合金属膜１５ａには、例えば、Ｓｎ、ＩｎまたはＢｉなどの融点の低い金属が用いられる。第１接合金属膜１５ａは、第２接合金属膜１５ｂと同時に形成されても良い。第２接合金属膜１５ｂは、第１接合金属膜１５ａと同様の構成（材料、厚さ、及び、積層の構成など）を有しても良い。
第１接合金属膜１５ａの厚さ及び第２接合金属膜１５ｂの厚さのそれぞれは、１．５μｍ以上が望ましい。これにより、例えば、後述する工程における接合不良が生じにくくなる。
図３（ａ）に表したように、支持基板７０とウェーハ９０とを互いに重ねる。すなわち、第１接合金属膜１５ａの接合面１５ｘと、第２接合金属膜１５ｂの接合面１５ｙと、を互いに接触させる。接合面１５ｘと接合面１５ｙとを接触させ圧力を加えつつ、温度を上昇させる。加圧及び昇温された状態で一定時間、保持する。
これにより、図３（ｂ）に表したように、第１接合金属膜１５ａと、第２接合金属膜１５ｂと、が接合される。この接合工程において、中間層１５が形成される。例えば、第１金属膜１０ｆの一部と、第２金属膜２０ｆの一部と、第１接合金属膜１５ａの少なくとも一部と、第２接合金属膜１５ｂの少なくとも一部と、から、中間層１５が形成される。
これにより、図３（ｂ）に表したように、第１接合金属膜１５ａと、第２接合金属膜１５ｂと、が接合される。この接合工程において、中間層１５が形成される。例えば、第１金属膜１０ｆの一部と、第２金属膜２０ｆの一部と、第１接合金属膜１５ａの少なくとも一部と、第２接合金属膜１５ｂの少なくとも一部と、から、中間層１５が形成される。
この接合工程において、例えば、Ｃｕ（第１金属）よりもヤング率の高い（剛性の高い）化合物が形成される。中間層１５は、第１金属層１０に用いられるＣｕと、第１接合金属膜１５ａに用いられる金属（第２金属）と、を含む化合物を含む。中間層１５は、例えば、Ｃｕと、第１接合金属膜１５ａに用いられる金属と、の金属間化合物を含む。金属間化合物は、例えば、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ３Ｓｎなどである。金属間化合物は、例えば、電子線を用いた構造解析などによって確認される。
図３（ｃ）に表したように、成長用基板８０を、発光部４０から分離する。例えば、成長用基板８０にサファイア基板を用いる場合は、成長用基板８０を介して半導体積層体４０ｓにレーザ光を照射して、成長用基板８０を剥離する（例えば、レーザリフトオフが行われる。例えば、成長用基板８０にＳｉ基板を用いた場合は、Ｓｉ基板を研削し、スピンエッチングを行う。これにより、支持基板７０側に発光部４０を残して、成長用基板８０を除去することができる。
図３（ｄ）に表したように、発光部４０をエッチングし、メサ部３２を形成する。これにより、シード層３１が露出する。例えば、シード層３１上にｐ電極５２を形成する。発光部４０上（この例ではｎ形半導体層４１上）にｎ電極５１を形成する。ｎ電極５１は、例えば、真空蒸着法を用いて形成される。例えば、ｎ電極５１は、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造を有する。
図３（ｅ）に表したように、発光部４０の上面に保護テープ２１を貼り付ける。第１金属層１０を残して、支持基板７０を除去する。例えば、支持基板７０は、研削によって除去される。
図３（ｆ）に表したように、第２金属層２０側の面にダイシング用のテープ２２を貼り付け、保護テープ２１が剥がされる。その後、ダイシングが行われ、半導体発光素子１１０が完成する。
上記のような接合という簡易な方法を用いることで、積層部３０の中間に金属間化合物を簡単に作製することができる。
上記のように、第１接合金属膜１５ａと第２接合金属膜１５ｂとの接合工程において、積層部３０において、例えば、Ｃｕ（第１金属層１０及び第２金属層２０）よりもヤング率の高い金属間化合物（中間層１５）が形成される。これにより、積層部３０に中間層１５が設けられない場合に比べて、積層部３０におけるヤング率が上昇し、積層部３０の剛性（反りに対する耐性）が高まる。これにより、積層部３０において反りが抑制される。既に説明したように、積層部３０の厚さに比べて、発光部４０の厚さは非常に薄い。積層部３０の反りが抑制されることで、半導体発光素子１１０の全体の反りも抑制できる。
上記のように、第１接合金属膜１５ａと第２接合金属膜１５ｂとの接合工程において、積層部３０において、例えば、Ｃｕ（第１金属層１０及び第２金属層２０）よりもヤング率の高い金属間化合物（中間層１５）が形成される。これにより、積層部３０に中間層１５が設けられない場合に比べて、積層部３０におけるヤング率が上昇し、積層部３０の剛性（反りに対する耐性）が高まる。これにより、積層部３０において反りが抑制される。既に説明したように、積層部３０の厚さに比べて、発光部４０の厚さは非常に薄い。積層部３０の反りが抑制されることで、半導体発光素子１１０の全体の反りも抑制できる。
成長用基板８０の上での発光部４０の形成は、高温でのエピタキシャル成長により行われる。発光部４０の形成の後に室温に戻したときに、成長用基板８０と発光部４０とにおける熱膨張係数の差により、成長用基板８０及び発光部４０に反りが発生し易い。このような成長用基板８０及び発光部４０に、積層部３０が設けられる。
実施形態においては、積層部３０においてヤング率が上昇されている。これにより、成長用基板８０及び発光部４０に反りが生じていた場合においても、ヤング率が上昇された積層部３０により、反りが抑制される。
例えば、成長用基板８０及び発光部４０に、Ｓｉの支持基板が接合される参考例がある。この参考例においては、Ｓｉの支持基板が、実施形態における積層部３０に対応する。Ｓｉのヤング率は、Ｃｕなどの金属のヤング率に比べて高い。このため、Ｓｉの支持基板を用いた参考例においては、反りが問題になり難い。しかしながら、Ｓｉの熱伝導性は、Ｃｕなどの金属に比べて低い。このため、この参考例においては、放熱性が低く、半導体発光素子の使用中に半導体層の温度が過度に上昇しやすい。このため、この参考例においては、信頼性の点で改良の余地がある。
これに対して、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、積層部３０として、熱伝導率が高い金属が用いられる。これにより、高い放熱性が得られ、高い信頼性が得られる。
一方、積層部３０として、金属を用い、積層部３０に中間層１５が設けられない参考例も考えられる。しかし、この場合、積層部３０のヤング率は、中間層１５を設ける場合に比べて低い。このため、この参考例においては、反りの抑制が十分でない。
もし、反りが十分に抑制されない場合は、製造工程における装置の搬送において、問題が生じ易くなり、効率的な製造ができ難くなる。例えば、積層部３０に大きな反りが生じていると、ダイシング時のテープ２２の貼付の際に、積層部３０がテープ２２から外れてしまう場合がある。さらに、完成した半導体発光素子において、反りに起因する応力が残留していると、半導体層におけるクラックの発生、または、電極などの剥がれなどが生じ易くなる。すなわち、反りに起因する応力により、半導体発光素子の信頼性が低下する場合がある。
これに対して、実施形態においては、積層部３０にヤング率が高い中間層１５を設けることで、積層部３０の剛性を高める。これにより、反りが抑制される。反りが抑制できることで、効率的な製造が可能になり、応力が緩和されることで、半導体発光素子の信頼性が向上できる。これと同時に、金属の積層部３０を用いることで、高い放熱性が得られ、高い信頼性が得られる。
積層部３０の厚さに対する、中間層１５の厚さの比Ｒａの例について、説明する。比Ｒａは、（中間層１５の厚さ）／（積層部３０の厚さ）である。例えば、積層部３０の全体の熱伝導率は、比Ｒａに依存すると考えられる。
例えば、Ｃｕの熱伝導率は、３８０Ｗ／ｍＫ程度である。一方、Ｓｎの熱伝導率は、７０Ｗ／ｍＫ程度である。従って、比Ｒａが小さいと（積層部３０に対して中間層１５が薄いと）、高い熱伝導率が得られる。例えば、比Ｒａが０．８５よりも小さい場合、積層部３０の熱伝導率は、約１４０Ｗ／ｍＫ以上と高くできる。例えば、比Ｒａが０．５よりも小さい場合、積層部３０の熱伝導率は、約２００Ｗ／ｍＫ以上と高くできる。実施形態においては、例えば、積層部３０の厚さは、中間層１５の厚さの０．８５倍以下とする。さらに、０．５倍以下とすることで、より高い熱伝導率が得られる。
積層部３０の全体のヤング率は、比Ｒａに依存すると考えられる。
金属のヤング率は、１００ＧＰａ程度である。例えば、セラミックスのヤング率は、２００ＧＰａ〜３００ＧＰａ程度である。例えば、ＣｕとＳｎとの金属間化合物（Ｒａ＝１）のヤング率は、例えば、１５０ＧＰａ程度である。Ｃｕ（Ｒａ＝０）のヤング率は、１１０ＧＰａ程度である。本実施形態に係る構造を採用することにより、積層部３０のヤング率を、例えば２５％〜３０％程度高くすることができる。これにより、積層部３０の反りが抑制される。半導体発光素子の信頼性が向上する。
金属のヤング率は、１００ＧＰａ程度である。例えば、セラミックスのヤング率は、２００ＧＰａ〜３００ＧＰａ程度である。例えば、ＣｕとＳｎとの金属間化合物（Ｒａ＝１）のヤング率は、例えば、１５０ＧＰａ程度である。Ｃｕ（Ｒａ＝０）のヤング率は、１１０ＧＰａ程度である。本実施形態に係る構造を採用することにより、積層部３０のヤング率を、例えば２５％〜３０％程度高くすることができる。これにより、積層部３０の反りが抑制される。半導体発光素子の信頼性が向上する。
例えば、第１金属層１０の厚さｔ１を、第２金属層２０の厚さｔ２と同程度に設定する。例えば、中間層１５は、積層部３０の厚さ方向において、積層部３０の中心付近の位置に設けても良い。ヤング率の高い層が、積層部の中心付近に設けられる。これにより、例えば、積層部３０の反りがより抑制される。また、形成法によっては第１金属層１０及び第２金属層２０自身が内部応力を持つ場合がある。このとき、第１金属層１０の厚さｔ１と第２金属層２０の厚さｔ２は同等にすると、例えば、内部応力を抑制（例えば相殺）することができる。例えば、第１金属層１０の厚さｔ１は、第２金属層２０の厚さｔ２の０．８倍以上１．２倍以下である。
本実施形態によると、金属を用いた積層部３０に、ヤング率の高い中間層１５を挿入することで、高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
例えば、第１金属層１０及び第２金属層２０にＣｕを用い、第１接合金属膜１５ａ及び第２接合金属膜１５ｂにＳｎを用いた場合において、第１接合金属膜１５ａと第２接合金属膜１５ｂとの接合不良が生じる場合がある。
本願発明者の検討によると、例えば、第１金属層１０のＣｕと第１接合金属膜１５ａのＳｎとの反応が早い場合に、接合不良が生じ易いことが分かった。例えば、第１金属層１０のＣｕと第１接合金属膜１５ａのＳｎとの反応が、接合面１５ｘ及び接合面１５ｙにおける接合形成よりも速く進む場合がある。この場合に、接合不良が生じ易い。すなわち、例えば、第１金属層１０のＣｕと第１接合金属膜１５ａのＳｎとの反応により金属化合物が生成された後は、接合面１５ｘ及び接合面１５ｙにおける接合は、実質的に行われない。
金属の接合形成の速さは、例えば、接合時における温度及び圧力などに依存する。接合時における温度及び圧力などの設定によって、接合不良の発生を抑制することができることが見出された。すなわち、接合面１５ｘ及び接合面１５ｙの接合形成を、第１金属層１０と第１接合金属膜１５ａとの反応よりも速く進める。これにより、接合不良の発生を抑制することができる。
接合時の温度は、第１接合金属膜１５ａ及び第２接合金属膜１５ｂに用いられる金属の融点よりも２０℃以上高いことが望ましい。第１接合金属膜１５ａ及び第２接合金属膜１５ｂに、Ｓｎを用いた場合、接合時の温度は、２５０℃以上３５０℃以下が望ましい。接合時における温度は、十分な速さで上昇させることが望ましい。例えば、６０℃／分程度で昇温させることが望ましい。第１接合金属膜１５ａの厚さは、１．５μｍ以上であることが望ましい。これにより、例えば、接合面１５ｘ及び接合面１５ｙにおいて、Ｃｕと反応していないＳｎを残すことができる。これにより、接合面１５ｘ及び接合面１５ｙにおける、ＣｕとＳｎとの反応を十分に実施することができる。
第１接合金属膜１５ａ及び第２接合金属膜１５ｂにＳｎを用い、第１接合金属膜１５ａの厚さ及び第２接合金属膜１５ｂの厚さが１．５μｍの場合、昇温及び加圧した状態での保持時間は、例えば、１５分程度が望ましい。接合時に加えられる圧力は、０．５ＭＰａ以上が望ましい。これにより、接合不良の発生を抑制することができる。
第２金属にＳｎなどの融点の低い金属を用いることで、比較的低い温度で接合を行うことができる。例えば、接合時の昇温及び降温にかかる時間が短くなる。これにより、例えば、接合面１５ｘ及び接合面１５ｙにおいて、ＣｕとＳｎの反応が安定し、接合不良を抑制することができる。
接合時の温度が低いと、例えば、接合時において、支持基板７０の熱膨張と第１金属膜１０ｆの熱膨張との差を小さくすることができる。これにより、例えば、積層部３０に加わる応力が小さくなり、積層部３０の反りを抑制することができる。
接合時の温度が高すぎると、例えば、ｐ電極５２が変質する場合がある。例えば、ｐ電極５２の抵抗値が変化する。これにより、半導体発光素子の特性が変動してしまう場合がある。第２金属に融点の低い金属を用い、低い温度で接合することで、例えば、特性の変動を抑制し、安定した特性の半導体発光素子を作製することができる。
本実施形態の製造方法によると、接合不良の発生を抑制し、金属を用いた積層部３０中に、中間層１５を形成することができる。これにより、放熱性が向上し、反りが抑制された信頼性の高い半導体発光素子が提供できる。
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、半導体発光素子１２０においても、発光部４０及び積層部３０が設けられている。この例においても、シード層３１、反射電極５０、ｎ電極５１及びｐ電極５２が設けられている。積層部３０は、第１金属層１０と、第２金属層２０と、中間層１５と、を含む。発光部４０、シード層３１、反射電極５０、ｎ電極５１、ｐ電極５２、第１金属層１０及び第２金属層２０には、半導体発光素子１１０に関して説明した構成が適用できる。
図４は、第２の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、半導体発光素子１２０においても、発光部４０及び積層部３０が設けられている。この例においても、シード層３１、反射電極５０、ｎ電極５１及びｐ電極５２が設けられている。積層部３０は、第１金属層１０と、第２金属層２０と、中間層１５と、を含む。発光部４０、シード層３１、反射電極５０、ｎ電極５１、ｐ電極５２、第１金属層１０及び第２金属層２０には、半導体発光素子１１０に関して説明した構成が適用できる。
半導体発光素子１２０においては、中間層１５は、第１中間金属層１６と、第２中間金属層１７と、第３中間金属層１８と、を含む。
第１中間金属層１６と第２金属層２０との間に、第２中間金属層１７が設けられている。第３中間金属層１８は、第１中間金属層１６と第２中間金属層１７との間に設けられている。
第１中間金属層１６及び第２中間金属層１７は、第３金属を含む。第３金属は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）及びタンタル（Ｔａ）の少なくともいずれかを含む。
第３中間金属層１８は、例えば、第２金属と、第３金属と、を含む化合物を含む。第３中間金属層１８は、例えば、第２金属と、第３金属と、の金属間化合物を含む。
第２の実施形態においては、積層部３０の厚さは、例えば、５０μｍ以上３００μｍ以下である。第１金属層１０の厚さは、例えば、１０μｍ以上１５０μｍ以下である。好ましくは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。第２金属層２０の厚さは、例えば、１０μｍ以上１５０μｍ以下である。好ましくは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。
図５（ａ）〜図５（ｃ）、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
図５（ａ）に表したように、ウェーハ９０と、支持基板７０と、が用意される。図５（ｂ）に表したように、ウェーハ９０の上にシード層３１を形成する。支持基板７０の上にシード層３１ａを形成する。
図５（ａ）に表したように、ウェーハ９０と、支持基板７０と、が用意される。図５（ｂ）に表したように、ウェーハ９０の上にシード層３１を形成する。支持基板７０の上にシード層３１ａを形成する。
図５（ｃ）に表したように、シード層３１の上に第２金属層２０が設けられる。その後、第２金属層２０の上に第２中間金属層１７が設けられる。例えば、第２中間金属層１７は、電解めっき法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition)法によって形成される。第２中間金属層１７には、例えば、ＮｉまたはＣｏが用いられる。シード層３１ａの上に、第１金属層１０が設けられる。
その後、第１金属層１０の上に、第１中間金属層１６が設けられる。例えば、第１中間金属層１６は、電解めっき法またはＰＶＤ法によって形成される。第１中間金属層１６には、例えば、ＮｉまたはＣｏが用いられる。
その後、第１中間金属層１６の上に、第３接合金属膜１８ａが設けられる。例えば、第３接合金属膜１８ａは、電解めっき法またはＰＶＤ法によって形成される。第３接合金属膜１８ａには、例えば、Ｓｎ、ＩｎまたはＢｉなどが用いられる。
第２中間金属層１７の上に、第４接合金属膜１８ｂが設けられる。例えば、第４接合金属膜１８ｂは、電解めっき法またはＰＶＤ法によって形成される。第４接合金属膜１８ｂには、例えば、Ｓｎ、ＩｎまたはＢｉなどが用いられる。
図６（ａ）に表したように、支持基板７０と、ウェーハ９０とを互いに重ねる。すなわち、第３接合金属膜１８ａの接合面１８ｘと、第４接合金属膜１８ｂの接合面１８ｙと、を互いに接触させる。接合面１８ｘと接合面１８ｙとを接触させ圧力を加えつつ、温度を上昇させる。加圧及び昇温された状態で一定時間、保持する。
これにより、図６（ｂ）に表したように、第３接合金属膜１８ａと、第４接合金属膜１８ｂと、が接合される。この接合工程において、第３中間金属層１８が形成される。その後の製造方法は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０と同様である。
第３中間金属層１８は、例えば、第１中間金属層１６及び第２中間金属層１７に用いられる金属（第３金属）と、第３接合金属膜１８ａ及び第４接合金属膜１８ｂに用いられる金属（第２金属）と、を含む化合物を含む。
第３中間金属層１８は、例えば、第１中間金属層１６及び第２中間金属層１７に用いられる金属（第３金属）と、第３接合金属膜１８ａ及び第４接合金属膜１８ｂに用いられる金属（第２金属）と、の金属間化合物を含む。
例えば、第３中間金属層１８は、Ｃｕよりもヤング率の高い（剛性の高い）化合物を含む。例えば、接合工程において、Ｎｉ３Ｓｎ４などが形成される。第３中間金属層１８を含む中間層１５は、Ｃｕよりもヤング率が高い。半導体発光素子１２０においては、半導体発光素子１１０と同様に、積層部３０の厚さは、例えば、中間層１５の厚さの０．８５倍以下とする。
接合時の温度は、第３接合金属膜１８ａ及び第４接合金属膜１８ｂに用いられる金属の融点よりも２０℃以上高いことが望ましい。第３接合金属膜１８ａ及び第４接合金属膜１８ｂに、Ｓｎを用いた場合、接合時の温度は、２５０℃〜３５０℃が望ましい。第３接合金属膜１８ａ及び第４接合金属膜１８ｂの厚さは、１．０μｍ以上であることが望ましい。例えば、第３接合金属膜１８ａの厚さｔ１８ａは、第１中間金属層１６の厚さｔ１６の０．３倍以上であることが望ましい。これにより、例えば、接合不良の発生を抑制することができる。
例えば、第３接合金属膜１８ａ及び第４接合金属膜１８ｂにＳｎを用い、Ｓｎの厚さを１．０μｍとする。例えば、第１中間金属層１６及び第２中間金属層１７にＮｉを用いる。例えば、接合時の温度を、２８０℃とする。
Ｓｎの厚さを１．０μｍとした場合は、昇温及び加圧した状態での保持時間は、３分程度が望ましい。Ｓｎの厚さを３．０μｍとした場合は、保持時間は、６０分程度が望ましい。これにより、例えば、接合不良の発生を抑制することができる。
実施形態においては、積層部３０にヤング率が高い中間層１５が設けられる。これにより、積層部３０の反りが抑制され、半導体発光素子の信頼性が向上できる。金属の積層部３０を用いることで、高い放熱性が得られ、高い信頼性が得られる。
本実施形態によると、例えば、金属を用いた積層部３０に、ヤング率の高い中間層１５を挿入する。本実施形態によると、例えば、金属間化合物を含む中間層１５を設ける。実施形態によれば、高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
本実施形態によると、例えば、金属を用いた積層部３０に、ヤング率の高い中間層１５を挿入する。本実施形態によると、例えば、金属間化合物を含む中間層１５を設ける。実施形態によれば、高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
実施形態によれば、高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、発光部、第１金属層、第２金属層及び中間層の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例、及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例、及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…第１金属層、 １０ｆ…第１金属膜、 １５…中間層、 １５ａ…第１接合金属膜、 １５ｂ…第２接合金属膜、 １５ｘ、１５ｙ…接合面、 １６…第１中間金属層、 １７…第２中間金属層、 １８…第３中間金属層、 １８ａ…第３接合金属膜、 １８ｂ…第４接合金属膜、 １８ｘ、１８ｙ…接合面、 ２０…第２金属層、 ２０ｆ…第２金属膜、 ２１…保護テープ、 ２２…テープ、 ３０…積層部、 ３０ａ、３０ｂ…第１、第２部分、 ３１、３１ａ…シード層、 ３２…メサ部、 ４０…発光部、 ４０ａ…光出射面、 ４０ｓ…半導体積層体、 ４１…ｎ形半導体層、 ４２…半導体発光層、 ４３…ｐ形半導体層、 ５０…反射電極、 ５１…ｎ電極、 ５２…ｐ電極、 ７０…支持基板、 ８０…成長用基板、 ９０…ウェーハ、 １１０、１２０…半導体発光素子、 ｔ１、ｔ１６、ｔ１８ａ、ｔ２…厚さ
Claims (14)
- 半導体発光層を含む発光部と、
第１金属を含む第１金属層と、
前記第１金属層と前記発光部との間に設けられ前記第１金属を含む第２金属層と、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられ第２金属を含む金属間化合物を含む中間層と、
を備えた半導体発光素子。 - 前記中間層のヤング率は、前記第１金属層のヤング率よりも高く前記第２金属層のヤング率よりも高い請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記金属間化合物は、前記第２金属と前記第１金属との金属間化合物を含む請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- 前記第２金属は、錫、インジウム及びビスマスの少なくともいずれかを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記中間層は、
第３金属を含む第１中間金属層と、
前記第３金属を含む第２中間金属層と、
前記第１中間金属層と前記第２中間金属層との間に設けられ、前記第２金属と前記第３金属とを含む化合物を含む第３中間金属層と、
を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記第３金属は、ニッケル、コバルト、モリブデン、クロム、バナジウム及びタンタルの少なくともいずれかを含む請求項５記載の半導体発光素子。
- 前記第３中間金属層は、前記第２金属と前記第３金属との金属間化合物を含む請求項５または６に記載の半導体発光素子。
- 半導体発光層を含む発光部と、
第１金属を含む第１金属層と、
前記第１金属層と前記発光部との間に設けられ前記第１金属を含む第２金属層と、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられ前記第１金属層のヤング率よりも高く及び前記第２金属層のヤング率よりも高いヤング率を有する中間層と、
を備えた半導体発光素子。 - 前記第１金属は、銅及び金の少なくともいずれかを含む請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１金属層の厚さは、前記第２金属層の厚さの、０．８倍以上１．２倍以下である請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光部の厚さは、前記第１金属層の厚さと前記第２金属層の厚さと前記中間層の厚さとの合計の０．１倍以下である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１金属層の厚さと前記第２金属層の厚さと前記中間層の厚さとの合計は、５０マイクロメートル以上３００マイクロメートル以下である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記中間層の厚さは、前記第１金属層の厚さと前記第２金属層の厚さと前記中間層の厚さとの合計の０．８５倍以下である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 半導体発光層を含む発光部と、第１金属を含む第１金属層と、前記第１金属層と前記発光部との間に設けられ前記第１金属を含む第２金属層と、前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられ第２金属を含む金属間化合物を含む中間層と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、
成長用基板と、前記成長用基板の上に設けられた前記発光部と、前記発光部の上に設けられ前記第１金属層となる第１金属膜と、前記第１金属膜の上に設けられ前記第２金属を含む第１接合金属膜と、を含む第１加工体を準備し、
支持基板と、前記支持基板の上に設けられ前記第２金属層となる第２金属膜と、前記第２金属膜の上に設けられ前記第２金属を含む第２接合金属膜と、を含む第２加工体を準備し、
前記第１接合金属膜と前記第２接合金属膜とを接合して、前記第１金属膜の一部と、前記第２金属膜の一部と、前記第１接合金属膜の少なくとも一部と、前記第２接合金属膜の少なくとも一部と、から前記中間層を形成する半導体発光素子の製造方法。
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- 2014-03-10 US US14/202,109 patent/US20150102382A1/en not_active Abandoned
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| Publication number | Publication date |
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| US20150102382A1 (en) | 2015-04-16 |
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