JP2018195709A - Semiconductor device and uv light-emitting module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及び紫外線発光モジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and an ultraviolet light emitting module.
半導体装置は様々な電子機器に用いられており、演算処理装置や、発光デバイス、受光デバイス等の光学デバイス等に応用されている。特に、窒化物半導体層を材料として用いた半導体チップを備える半導体装置は、窒化物半導体の組成を制御することでバンドギャップを制御し、赤色領域から深紫外光領域まで至る発光装置及び受光装置、高耐圧や高い応答性を利用したパワーデバイス、また高速で応答する装置として応用されている。これらの半導体装置を利用した各装置は、照明や計測器用光源、殺菌光源、太陽電池、各種センサやトランジスタ等、様々な用途で利用されている。 Semiconductor devices are used in various electronic devices and are applied to arithmetic processing devices, optical devices such as light emitting devices and light receiving devices, and the like. In particular, a semiconductor device including a semiconductor chip using a nitride semiconductor layer as a material controls a band gap by controlling the composition of the nitride semiconductor, and a light emitting device and a light receiving device ranging from a red region to a deep ultraviolet region, It is applied as a power device utilizing high breakdown voltage and high responsiveness, and a device that responds at high speed. Each device using these semiconductor devices is used for various purposes such as illumination, a light source for measuring instruments, a sterilizing light source, a solar cell, various sensors, and a transistor.
窒化物半導体層を半導体チップの材料として用いた半導体装置の一般的な形態としては、半導体チップが、外部金属線との接続部を有する回路基板に実装された形態が挙げられる。この形態の一つであるフリップチップ構造の半導体装置では、一方の面にp型電極及びn型電極が形成された半導体チップとパッケージ基板とが、半導体チップの電極形成面(接続面)とパッケージ基板とが向かい合うように配置されている。半導体チップのp型電極及びn型電極とパッケージ基板とは、金ボール等の導電材料で形成された接続媒体で接続されている。半導体装置が発光装置の場合、半導体チップの一方の面(接続面)と他方の面との双方から光が放射される。このp型電極及びn型電極は、パッケージ基板上の対応する正極電極金属線及び負極電極金属線それぞれと電気的に接合され、外部から電圧を印加することで電流を半導体チップへ流す役割を担う。 A general form of a semiconductor device using a nitride semiconductor layer as a material for a semiconductor chip includes a form in which the semiconductor chip is mounted on a circuit board having a connection portion with an external metal wire. In a semiconductor device having a flip-chip structure, which is one of the embodiments, a semiconductor chip having a p-type electrode and an n-type electrode formed on one surface and a package substrate are formed on an electrode formation surface (connection surface) of the semiconductor chip and a package. It arrange | positions so that a board | substrate may face. The p-type electrode and n-type electrode of the semiconductor chip and the package substrate are connected by a connection medium formed of a conductive material such as a gold ball. When the semiconductor device is a light emitting device, light is emitted from both one surface (connection surface) and the other surface of the semiconductor chip. The p-type electrode and the n-type electrode are electrically joined to the corresponding positive electrode metal wire and negative electrode metal wire on the package substrate, respectively, and play a role of flowing current to the semiconductor chip by applying voltage from the outside. .
半導体装置のエネルギー変換効率を高めるには、半導体チップ上のp型電極とn型電極の配置が非常に重要である。半導体装置が発光装置の場合である場合、その発光効率を高めるには、電子及び正孔を外部から活性層まで輸送するキャリア注入効率、活性層において電気を光へと変換する内部量子効率、内部で生成した光を外部へ取り出す光取り出し効率、及びこれら三つの効率の積で表現される外部量子効率を向上させる必要がある。外部量子効率を向上させるには、電子を半導体層へ注入するn型電極、正孔を半導体層へ注入するp型電極の配置が非常に重要である。
In order to increase the energy conversion efficiency of the semiconductor device, the arrangement of the p-type electrode and the n-type electrode on the semiconductor chip is very important. When the semiconductor device is a light-emitting device, in order to increase its luminous efficiency, carrier injection efficiency for transporting electrons and holes from the outside to the active layer, internal quantum efficiency for converting electricity into light in the active layer, internal It is necessary to improve the light extraction efficiency for extracting the light generated in
電流が局所的に集中すると、「電流ドループ」と呼ばれる電子注入効率、又は内部量子効率が低下する現象が起こり、発光効率が低下する。各電極を適切に配置することで、半導体発光装置内、特に窒化物半導体活性層での均一な電流密度及び均一な発光密度が実現され、電流ドループを抑制し、高い外部量子効率が達成される。
外部電源から半導体チップへ電流を流すには、半導体チップのp型電極及びn型電極の配置に合わせて、パッケージ基板上の対向する領域に配線を配置し接合する必要がある。
例えば特許文献1には、半導体チップの第一電極配線及び第二電極配線と、対向するパッケージ基板の電極配線とが保護絶縁膜を介して対向するように配置された構造が開示されている。
When the current is locally concentrated, a phenomenon called “current droop” in which the electron injection efficiency or the internal quantum efficiency is lowered occurs, and the light emission efficiency is lowered. By arranging each electrode appropriately, uniform current density and uniform light emission density in the semiconductor light emitting device, particularly in the nitride semiconductor active layer, are realized, current droop is suppressed, and high external quantum efficiency is achieved. .
In order to pass a current from an external power source to the semiconductor chip, it is necessary to arrange and bond wirings in opposing regions on the package substrate in accordance with the arrangement of the p-type electrode and the n-type electrode of the semiconductor chip.
For example,
特許文献1に記載されているフリップチップ構造の半導体装置は、絶縁保護膜を用いることで半導体チップの第一電極及び第二電極とパッケージ基板の配線との間でショート(短絡)するリスクを軽減している。しかしながら、特許文献1に記載の半導体装置では、この絶縁保護膜が絶縁破壊を起こすことにより、パッケージ基板の配線間がショートするリスクを排除できない。また、特許文献1に記載の半導体装置では製造工程が煩雑になるため、量産には適さないという問題もある。そのため、従来の半導体装置では、半導体チップに設けられた電極とパッケージ基板の配線との短絡リスクの低減と、製造工程の簡素化とを両立することが困難であった。
The semiconductor device having the flip chip structure described in
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、半導体チップに設けられた電極とパッケージ基板の配線との短絡リスクの低減と、製造工程の簡素化とを両立することの可能な半導体装置及び紫外線発光モジュールを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such a problem, and can reduce both the risk of short circuit between the electrode provided on the semiconductor chip and the wiring of the package substrate and the simplification of the manufacturing process. An object of the present invention is to provide a semiconductor device and an ultraviolet light emitting module.
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、パッケージ基板と、前記パッケージ基板の一方の面上に形成された第一配線と、前記一方の面上に前記第一配線と絶縁されて形成された第二配線と、を有する基体、及び半導体基板と、前記半導体基板の前記基体側の表面上に形成された第一導電型の第一窒化物半導体層と、前記第一窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体活性層と、前記窒化物半導体活性層上に形成された第二導電型の第二窒化物半導体層と、前記第一窒化物半導体層上の前記窒化物半導体活性層が形成されていない領域の一部に設けられた第一電極と、前記第二窒化物半導体層上に形成された第二電極と、を有する半導体チップ、を備え、前記第一電極の少なくとも一部は、前記第一配線と接合され、前記第二電極の少なくとも一部は、前記第二配線と接合され、前記半導体チップの前記第二配線と対向する領域上には、前記第一電極が設けられていない、ことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a package substrate, a first wiring formed on one surface of the package substrate, and the first wiring on the one surface. A substrate having a second wiring formed insulated from the wiring; and a semiconductor substrate; a first nitride semiconductor layer of a first conductivity type formed on a surface of the semiconductor substrate on the substrate side; and A nitride semiconductor active layer formed on a portion of the first nitride semiconductor layer, a second conductivity type second nitride semiconductor layer formed on the nitride semiconductor active layer, and the first nitride A semiconductor chip having a first electrode provided in a part of a region on the semiconductor layer where the nitride semiconductor active layer is not formed, and a second electrode formed on the second nitride semiconductor layer; And at least a part of the first electrode includes the first wiring Bonded, at least a part of the second electrode is bonded to the second wiring, and the first electrode is not provided on a region facing the second wiring of the semiconductor chip. It is said.
また、本発明の他の実施形態に係る紫外線発光モジュールは、上記実施形態に係る半導体装置を備えたことを特徴としている。 An ultraviolet light emitting module according to another embodiment of the present invention includes the semiconductor device according to the above embodiment.
本発明の一態様によれば、半導体チップに設けられた電極とパッケージ基板の配線との短絡リスクの低減と、製造工程の簡素化とを両立することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to reduce both the risk of short circuit between the electrode provided on the semiconductor chip and the wiring of the package substrate and the simplification of the manufacturing process.
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかである。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一部分には同一符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。
In the following detailed description, numerous specific specific configurations are described to provide a thorough understanding of embodiments of the invention. However, it is apparent that other embodiments can be implemented without being limited to such specific specific configurations. Further, the following embodiments do not limit the invention according to the claims, but include all combinations of characteristic configurations described in the embodiments.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones.
[第一実施形態]
図1は、本発明の第一実施形態に係る半導体装置の一例を示す平面図である。図1のA−A′断面図を図2に示す。なお、図1には、各層の重なりが明確になるように、一部外部に露出していない装置内部の境界線も記されている。また、図2の断面図はイメージ図であり、必ずしも図1の平面図と同一の距離や縮尺を表現してはいない。
図1及び図2に示すように、第一実施形態に係る半導体装置100は、半導体チップ10と基体11とを有する。
[First embodiment]
FIG. 1 is a plan view showing an example of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. In FIG. 1, a boundary line inside the device that is not partially exposed to the outside is also shown so that the overlapping of each layer becomes clear. 2 is an image diagram and does not necessarily represent the same distance and scale as the plan view of FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
(半導体チップ)
半導体チップ10は、半導体基板4と、例えばn型窒化物半導体層である第一窒化物半導体層5と、窒化物半導体活性層6と、例えばp型窒化物半導体層である第二窒化物半導体層7と、例えばn型電極である第一電極8と、例えばp型電極である第二電極9と、を有する。半導体チップ10は紫外線発光ダイオードを想定している。
第一窒化物半導体層5は、膜厚の厚い部分と、膜厚の厚い部分を囲むように形成された膜厚の薄い部分と、を有し、半導体基板4の一方の面上に形成されている。第一窒化物半導体層5は、例えばn型AlGaN層である。
窒化物半導体活性層6は、第一窒化物半導体層5の膜厚の厚い部分上に形成されている。つまり、窒化物半導体活性層6は、第一窒化物半導体層5上の一部に形成されている。
(Semiconductor chip)
The
The first
The nitride semiconductor
第二窒化物半導体層7は、窒化物半導体活性層6上に形成されている。これにより、第一窒化物半導体層5の膜厚の厚い部分と、窒化物半導体活性層6と、第二窒化物半導体層7とが、第一窒化物半導体層5の膜厚の薄い部分よりも突出したメサ構造部10aを形成している。図1において、メサ構造部10aの端部を符号15で示す。
第一電極8は、メサ構造部10aの底部、すなわち第一窒化物半導体層5の膜厚の薄い部分上に形成されている。つまり、第一電極8は、第一窒化物半導体層5上の窒化物半導体活性層6が形成されていない部分に形成されている。
第二電極9は、メサ構造部10aの頂部、すなわち第二窒化物半導体層7上に形成されている。
The second
The
The
(基体)
基体11は、パッケージ基板1と、パッケージ基板1の一方の面上に形成された第一配線2と、パッケージ基板1の第一配線2が形成された側の面上に第一配線2と絶縁されて形成された第二配線3と、を有する。
パッケージ基板1は、一方の面1aが、半導体基板4のメサ構造部10aが形成された側の面4aと対向するように配置されている。
パッケージ基板1の面1a上の、半導体チップ10の第一電極8と対向する位置に第一配線2が形成され、半導体チップ10の第二電極9と対向する位置に第二配線3が形成されている。
(Substrate)
The
The
On the
第一配線2は、第一電極8の少なくとも一部と接合されている。第二配線3は、第二電極9の少なくとも一部と接合されている。第一配線2と第一電極8、また、第二配線3と第二電極9とは、それぞれ直接接触していても良く、図2に示すように導電性の媒体20を介して接合していても良い。
ここで、第二配線3は、第一電極8と対向する位置には設けられていない。したがって、例えば半導体装置100の製造工程において金属異物が混入する事などにより、半導体チップ10側の配線と基体11側の電極とが金属異物を介して短絡する可能性を低減することができる。
The
Here, the
また、例えば半導体装置100の製造工程において金属異物が混入し、図2において、第二配線3及びこの第二配線3と対向する第一窒化物半導体層5との両方に金属異物が接触したとしても、金属異物と第一窒化物半導体層5との間の接触抵抗は大きいため、金属異物を介して第一窒化物半導体層5と第二配線3との間で短絡が生じる可能性をより小さくすることができる。
また第一配線2は、第二電極9と対向する位置には設けられていない。そのため、例えば金属異物が混入した際に第一配線2と金属異物と第二電極9とで形成された経路で導通する短絡経路が形成されることを抑制することができる。
Further, for example, metal foreign matter is mixed in the manufacturing process of the
The
第二配線3は、パッケージ基板1の半導体チップ10と対向しない領域の一部である第一部分12を有することにより、ワイヤボンディング等により外部から第二配線3へ配線を接続することができる。
第二配線3は、パッケージ基板1の第二電極9と対向する領域の一部である第二部分13と、第一部分12及び第二部分13との間の領域である第三部分14とを有する。これにより、図1に示すように、第二電極9が半導体チップ10の中央付近に形成されているチップにおいても、異物混入により短絡するリスクを抑制しつつ、外部配線と接続するために第二配線3を、平面視で半導体チップ10の外側へ延伸させることができる。
Since the
The
第二配線3の第三部分14の少なくとも一部が、半導体装置100の厚さ方向で第一窒化物半導体層5と対向するように配置された半導体チップ10においては、第二配線3の第三部分14と対向する領域に第一電極8が形成されていないことがさらに好ましい。つまり、平面視で、第二配線3と第一電極8とが第三部分14で重ならないことが好ましい。このようにすることによって、組立後に半導体チップ10の外部から侵入する異物を介して第二配線3と半導体チップ10側の第一電極8との間で短絡が生じる可能性を低減することができる。
In the
図2に示すように、メサ構造部10aを有する半導体チップ10において、第二電極9がメサ構造部10aの頂部に形成され、この第二電極9と接続される第二配線3が、図1に示すように平面視で半導体チップ10の外側に延伸した構造において、本発明の第一実施形態における位置関係で第一電極8、第二電極9、第一配線2及び第二配線3をすることにより、パッケージ基板1の配線2、3と、半導体チップ10の電極8、9との間での高い短絡防止効果を得ることができる。つまり、図1に示すように平面視で第一電極8が第二電極9を囲むように配置された構造においては、第二電極9をワイヤボンディング等によって外部に接続するためには、平面視で第二配線3を半導体チップ10の外側に延伸させる必要があり、そのため、第二配線3には、ワイヤボンディング等により外部と接続される第一部分12と第二電極9と接続される第二部分13とを接続する第三部分14が設けられている。第三部分14と半導体チップ10との間には隙間があるため、異物が混入する可能性がある。しかしながら、第二配線3を平面視で半導体チップ10の外側に延伸させる際に、平面視で第三部分14が第一電極8と重ならないように、第一電極8、第二電極9、第一配線2、第二配線3を配置することによって、仮に金属異物が混入したとしても、第三部分14において、半導体チップ10の電極との間で短絡が生じることを抑制することができる。
As shown in FIG. 2, in the
(半導体装置の構成要素の詳細)
本発明の一実施形態に係る半導体装置100を構成する各要素について以下に詳述する。
<半導体チップ>
半導体チップ10は、紫外線発光ダイオードの他に、レーザダイオード等の発光素子、太陽電池や光センサ等の受光素子、薄膜トランジスタ等の電力変換素子等を適用することができる。
半導体チップ10が紫外線発光ダイオードである場合、紫外線劣化を引き起こすためアンダーフィルや封止材として樹脂を用いることが困難である。そのため、異物混入による短絡の可能性が高くなる。本発明は、特に、半導体チップが紫外線発光ダイオードである場合に効果的である。
(Details of components of semiconductor devices)
Each element which comprises the
<Semiconductor chip>
In addition to the ultraviolet light emitting diode, the
When the
《半導体基板》
半導体チップ10の半導体基板4は、窒化物半導体を上層として形成することが可能な面を有するものであれば特に制限されない。具体的には、サファイア、Si、SiC、MgO、Ga2O3、Al2O3、ZnO、GaN、InN、AlN、又はこれらの混晶等が挙げられる。また、半導体基板4には不純物が混入していても良い。
特に、半導体基板4の一方の面に形成する窒化物半導体との格子定数差が小さく、格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできるという観点、及び高い熱伝導率を有するという観点から、半導体基板4は窒化アルミニウム(AlN)が望ましい。
また、ここでいう半導体基板とは上層に半導体層を形成することを目的として用いる基板という意味であり、半導体基板4自体は半導体でも、導体でも、絶縁体でも良いが、短絡を抑制するためには絶縁体であることが好ましい。
<Semiconductor substrate>
The
In particular, from the viewpoint that the lattice constant difference with the nitride semiconductor formed on one surface of the
In addition, the semiconductor substrate here means a substrate used for the purpose of forming a semiconductor layer as an upper layer, and the
《第一窒化物層》
第一窒化物半導体層5は、第一型導電型(n型)の窒化物半導体層であり、半導体基板4上に直接形成されていても、半導体基板4上に第一窒化物半導体層5以外の層が形成され、その上層に第一窒化物半導体層5が形成されていても良い。例えば、半導体基板4上にバッファ層が形成され、その上に第一窒化物半導体層5が形成された上に、窒化物半導体活性層6が形成されていても良い。なお、第一の実施形態において、第一窒化物半導体層5はn型とされているが、p型であってもよい。
<First nitride layer>
The first
第一窒化物半導体層5は、例えばn型AlGaN層等の窒化物半導体であれば特に制限はされないが、高いエネルギー変換効率を実現する観点から、適切なドーパントを用いて導電性を持たせることのできるAlN、GaN、InNのうちの2種又は3種を用いた混晶であることが望ましい。
第一窒化物半導体層5はn型窒化物半導体層またはp型窒化物半導体層であり、窒素(N)の他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素や、C、H、F、O、Mg、Zn、Si等の不純物が混入していても良い。
The first
The first
特に、第一窒化物半導体層5がAlxInyGazN(0<x≦1、0≦y<1、0≦z<1、x+y+z=1)である場合、この第一窒化物半導体層5が大気中の水分や半導体装置100の発熱により変質して部分的に剥離し、異物となって第一窒化物半導体層5と基体11とを接続する懸念がある。そのため、本発明の一実施形態に係る半導体装置100は、特に、第一窒化物半導体層5がAlxInyGazN(0<x≦1、0≦y<1、0≦z<1、x+y+z=1)である場合に、効果が高い。
In particular, when the first
《窒化物半導体活性層》
窒化物半導体活性層6は、第一窒化物半導体層5上に直接形成されていても、第一窒化物半導体層5上に窒化物半導体活性層6以外の層が形成され、その上に窒化物半導体活性層6が形成されていても良い。具体的には、第一窒化物半導体層5上にアンドープAlGaN層が形成された上に窒化物半導体活性層6が形成されていても良い。
窒化物半導体活性層6は、窒化物半導体であれば特に制限はされないが、高いエネルギー効率を実現する観点からAlN、GaN、InNの混晶であることが望ましい。窒化物半導体活性層6は、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素や、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していても良い。また、量子井戸構造でも単層構造でも良いが、高い発光効率を実現する観点から少なくとも1つの井戸構造を有していることが望ましい。
<Nitride semiconductor active layer>
Even if the nitride semiconductor
The nitride semiconductor
《第二窒化物半導体層》
第二窒化物半導体層7は、第二型導電型(第一窒化物半導体層5とは異なる導電型)の窒化物半導体層であり、窒化物半導体活性層6上に直接形成されていても、窒化物半導体活性層6上に第二窒化物半導体層7以外の層が形成され、その上に第二窒化物半導体層7が形成されていても良い。例えば、窒化物半導体活性層6上にアンドープAlGaN層が形成され、その上に第二窒化物半導体層7が形成されていても良い。
第二窒化物半導体層7は窒化物半導体であれば特に制限はされないが、高いエネルギー変換効率を実現する観点からAlN、GaN、InNの混晶であることが望ましい。
第二窒化物半導体層7は、第一窒化物半導体層5がp型窒化物半導体層の場合はn型窒化物半導体層であり、第一窒化物半導体層5がn型窒化物半導体層の場合はp型窒化物半導体層である。第二窒化物半導体層7は、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素や、C、H、F、O、Mg、Zn、Si等の不純物が混入していても良い。
《Second nitride semiconductor layer》
The second
The second
The second
《第一電極、第二電極》
第一電極8及び第二電極9は、それぞれ第一窒化物半導体層5、第二窒化物半導体層7に電流を流す役割を担う。第一窒化物半導体層5がn型窒化物半導体層で、第二窒化物半導体層7がp型窒化物半導体層の場合は、第一電極8はn型電極、第二電極9はp型電極である。第一窒化物半導体層5がp型窒化物半導体層で、第二窒化物半導体層7がn型窒化物半導体層の場合は、第一電極8はp型電極、第二電極9はn型電極である。
p型電極としては、コンタクト層にホールを注入することが出来れば、材料と形状は特に制限はされないが、p型窒化物半導体にホールを注入する観点からNi、Au、Pt、Ag、Rh、Pd等の仕事関数の大きな金属、又はこれらの合金や、ITO等の酸化物電極等が望ましい。また、p型電極は単層でも、積層でも、合金でも良い。合金で形成された電極は、例えば多層積層構造を高温で熱処理することで形成することができる。
<First electrode, second electrode>
The
The material and shape of the p-type electrode are not particularly limited as long as holes can be injected into the contact layer. However, from the viewpoint of injecting holes into the p-type nitride semiconductor, Ni, Au, Pt, Ag, Rh, A metal having a high work function such as Pd, or an alloy thereof, or an oxide electrode such as ITO is desirable. The p-type electrode may be a single layer, a laminate, or an alloy. The electrode formed of an alloy can be formed, for example, by heat-treating a multilayer laminated structure at a high temperature.
また、p型電極は、平面視で複数の種類の電極が配置されていても良い。例えば、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd等の仕事関数の大きな金属或いはこれらの合金と、高い反射率を有するAg、Rh、Al等の金属や、誘電体多層膜を用いた反射膜、フッ素樹脂等が、ストライプやドット状に分離配置された構造が挙げられる。
n型電極としては、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au等の金属、又はこれらの混晶、またはITOやGa2O3等の導電性酸化物等を用いることができるが、この限りでは無い。また、p型電極は単層でも、積層でも、合金でも良い。合金で形成された電極は、例えば多層積層構造を高温で熱処理することで形成することができる。
The p-type electrode may be provided with a plurality of types of electrodes in plan view. For example, a reflective film using a metal having a high work function such as Ni, Au, Pt, Ag, Rh, or Pd or an alloy thereof, a metal such as Ag, Rh, or Al having a high reflectance, or a dielectric multilayer film In addition, a structure in which a fluororesin or the like is separated and arranged in a stripe or dot shape can be given.
As an n-type electrode, metals such as Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, and Au, or these Mixed crystals or conductive oxides such as ITO and Ga 2 O 3 can be used, but not limited thereto. The p-type electrode may be a single layer, a laminate, or an alloy. The electrode formed of an alloy can be formed, for example, by heat-treating a multilayer laminated structure at a high temperature.
また、n型電極は、平面視で、複数の種類の電極が配置されていても良い。例えば、Ti、Al、V等の仕事関数の小さな金属あるいはこれらの合金と、高い反射率を有するAg、Rh、Al等の金属や、誘電体多層膜を用いた反射膜、フッ素樹脂等が、ストライプやドット状に分離配置された構造が挙げられる。
第一電極8及び第二電極9は、それぞれ第一窒化物半導体層5及び第二窒化物半導体層7に電流を流すことができる構造を有していれば、第一、第二電極8、9と第一及び第二窒化物半導体層5、7との間に異なる層を有していても良い。例えば、第一、第二電極8、9と第一及び第二窒化物半導体層5、7との間に極薄い酸化膜や窒化膜を有していても良いし、電流拡散層としてITO等を含んでいても良い。
第一電極8及び第二電極9は、その表面に保護膜を有していても良い。保護膜としては、例えば、SiO2やSiN等の無機絶縁膜、樹脂等の有機絶縁膜等が挙げられる。
The n-type electrode may be provided with a plurality of types of electrodes in plan view. For example, metals having a small work function such as Ti, Al, and V or alloys thereof, metals such as Ag, Rh, and Al having high reflectivity, reflective films using dielectric multilayer films, fluororesins, etc. Examples include a structure in which stripes and dots are separately arranged.
If the
The
《層構造の形成方法》
半導体基板4の一方の面上に、第一窒化物半導体層5と窒化物半導体活性層6と第二窒化物半導体層7とがこの順に積層された構造は、例えば以下の方法で形成することができる。
すなわち、半導体基板4の一方の面上に、第一窒化物半導体層、窒化物半導体活性層、及び第二窒化物半導体層をこの順に積層した後、部分的なドライエッチング処理により、第一窒化物半導体層の厚さ方向の一部を残して、第二窒化物半導体層と窒化物半導体活性層と第一窒化物半導体層の一部とを除去し、第一窒化物半導体層5と窒化物半導体活性層6と第二窒化物半導体層7とが積層されたメサ構造部10aを形成する。
<< Formation method of layer structure >>
A structure in which the first
That is, after a first nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor active layer, and a second nitride semiconductor layer are stacked in this order on one surface of the
第一、第二窒化物半導体層5、7となる窒化物半導体層の形成方法は特に制限されない。スパッタリング法や分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)等の物理的気相成長法、有機金属気相成長法(MCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)や熱CVD法等の化学的気相成長法等が挙げられる。窒化物半導体層を不純物が少なく、組成を制御良く形成できるという観点から、有機金属気相成長法が最適である。
The method for forming the nitride semiconductor layers to be the first and second
ドライエッチング処理は、反応性の気体やイオン、ラジカルによって材料をエッチングする方法であり、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)、反応性イオンビームエッチング(RIBE:Reactive Ion Beam Etching)、電子サイクロトロン共鳴エッチング(ECR:Electron Cyclotron Resonance)、イオンミリング等の装置が用いられる。なかでも、励起コイルの電力を制御することでプラズマ密度を制御し、下部電極の電力を制御することでイオンの引き込み量を制御するICP(誘導結合型)−RIE装置を用いることが好ましい。 Dry etching is a method of etching materials with reactive gases, ions, and radicals, including reactive ion etching (RIE), reactive ion beam etching (RIBE), and electron cyclotron. An apparatus such as resonance etching (ECR: Electron Cyclotron Resonance) or ion milling is used. Among these, it is preferable to use an ICP (inductive coupling type) -RIE apparatus that controls the plasma density by controlling the power of the excitation coil and controls the amount of ions drawn by controlling the power of the lower electrode.
ドライエッチング処理は、エッチング装置において、高周波電源を用いて電極を兼ねる基板支持体と電極との間に高周波電力を印加して、基板支持体と電極との間にプラズマを発生させる。そして、チャンバー内に導入されたエッチングガスを分解及び励起させて窒化物半導体層に対してエッチング処理を行う。エッチングガスとしては、塩素ガス(Cl2)、三塩化ホウ素ガス(BCl3)等の塩素系ガス、四フッ化メタンガス(CF4)、三フッ化メタンガス(CHF3)等のフッ素系ガス、又はハライド系ガスを一部含んだ混合ガスを用いることが可能であるが、この限りではない。 In the dry etching process, plasma is generated between the substrate support and the electrode by applying high-frequency power between the electrode and the substrate support that also serves as an electrode using a high-frequency power source in an etching apparatus. Then, the nitride semiconductor layer is etched by decomposing and exciting the etching gas introduced into the chamber. Etching gas includes chlorine gas such as chlorine gas (Cl 2 ), boron trichloride gas (BCl 3 ), fluorine gas such as tetrafluoromethane gas (CF 4 ), trifluoromethane gas (CHF 3 ), or It is possible to use a mixed gas partially containing a halide gas, but this is not restrictive.
《第一電極及び第二電極の形成方法》
第一、第二電極8、9の形成方法は特に制限されない。一般的には、高純度の金属材料を薄膜形成できるという観点から、抵抗加熱、電子ビーム加熱を用いた熱蒸着法が用いられる。他にも、スパッタリング法等の物理的気相成長法が用いられる。電極膜厚を精度良く制御できるという観点から、スパッタリング法が最適である。
<< Method for forming first electrode and second electrode >>
The formation method of the first and
<基体>
基体11としては、パッケージ基板、プリント基板、自由に後の設計が可能なサブマウント基板、半導体チップを保持することが目的のSi等の支持ウェハ、照明装置や水殺菌装置等の本体部(紫外線発光ダイオードである半導体チップ10が第一接続体及び第二接続体で直接接続できるもの)等が挙げられる。
第一配線2及び第二配線3としては、Al、Cu、Ag、Au等の金属、又はこれらの合金が挙げられるがこの限りでは無い。熱伝導率が高く、耐食性に優れ、接合が容易であるAuであることが望ましい。第一配線2及び第二配線3は単層でも積層でも良い。絶縁層を介して多層配線を形成していても良い。
<Substrate>
The
Examples of the
<第二配線の第二部分と第三部分の少なくとも一部とが平面視で第一電極により囲まれる構造>
第二配線3の第二部分13と第三部分14の少なくとも一部とが、半導体チップ10の第一電極8によって囲まれていれば、本構造に含まれる。具体的には、平面視で、第二部分13の外側と第三部分14の少なくとも一部の外側とに第一電極8が配置されていれば良い。つまり平面視で第二部分13と第三部分14の少なくとも一部との二方面において、その外側に第一電極8が配置されていればよい。半導体チップ10上に第一電極8を効率よく配置するために、三方面において外側に第一電極8が配置されているとなお良く、三方面において配置された各々の第一電極8が第一窒化物半導体層5上で繋がっているとなお良い。
<Structure in which second portion of second wiring and at least part of third portion are surrounded by first electrode in plan view>
If the
図1では第一部分12と第二部分13とを接続する第三部分14は一カ所のみであるが、複数個所あっても良い。例えば、図1では第三部分14は1本の線状の配線であるが、2本の配線で形成されていてもよい。
図1では第三部分14が直線状に描かれているが、曲線であっても良い。
図1では、第一電極8が第二部分13及び第三部分14の略相似形に形成されているがこの限りではない。例えば、第二部分13が平面視で円形であり、第一電極8が部分的に開口部を有する四角形であっても良い。
In FIG. 1, there is only one
Although the
In FIG. 1, the
以上説明したように、図1、図2に示す半導体装置100では、極性の異なるパッケージ基板1側の配線2、3と、半導体チップ10側の電極8、9とで、極性の異なる配線及び電極どうしが対向しないように配置している。そのため、両者間に混入した金属異物等を介して短絡し、その結果、基体11の第一配線2及び第二配線3間で短絡したのと同等の状態となることを回避することができる。
As described above, in the
また、例えば、半導体チップ10が駆動され第一窒化物半導体層5に電流が流れると、半導体チップ10の寄生抵抗により第一窒化物半導体層5が発熱する。この熱と大気中の水分とにより、第一窒化物半導体層5内の窒化物が酸化することによって、第一窒化物半導体層5の腐食が進行する。このため、図3に示すように第二配線3と第一電極8とが対向する場合、第一窒化物半導体層5のうちの第二配線3と対向する第一電極8との界面近傍が腐食すると、第一窒化物半導体層5から第一電極8が部分的に剥がれる可能性がある。また、第一窒化物半導体層5が、腐食が進行しやすい材料、例えばAlの組成比率が高いAlGaNで形成されている場合には、Alの組成比率が低いGaN等で形成されている場合と比較して、第一窒化物半導体層5から第一電極8が部分的に剥がれてしまう可能性が高くなる。この剥がれた第一電極8つまりパーティクルは、第一窒化物半導体層5と第二配線3とを接続する可能性がある。
For example, when the
その結果、第二配線3−パーティクル−第一電極8−導電性の媒体20−第一配線2の経路で電流が流れ、結果的に第一配線2と第二配線3との間で短絡した場合と同等の状態となる可能性がある。なお、図3において(a)は従来の半導体装置の平面図、(b)は図3(a)のA−A′断面図、(c)は図3(a)のB−B′断面図である。図3(a)には、各層の重なりが明確になるように、一部外部に露出していない装置内部の境界線も記されている。また、図3(b)、(c)に示す断面図はイメージ図であり、必ずしも図3(a)の平面図と同一の距離や縮尺を表現してはいない。
As a result, a current flows through the path of the second wiring 3 -particle-first electrode 8 -conductive medium 20-
本実施形態における半導体装置100では、パッケージ基板1側の配線2、3と、半導体チップ10側の電極8、9とで、極性の異なる配線及び電極どうしが対向しないように配置している。そのため、仮に第一窒化物半導体層5が腐食したとしても、第一窒化物半導体層5の上に電極は配置されていないから、第二配線3と第一配線2との間で短絡が生じる原因となる、部分的に剥離した電極であるパーティクルが生じることを回避することができる。また、仮に第一窒化物半導体層5が腐食することにより剥離したとしても、極性の異なる配線及び電極どうしは対向しないから、剥離した第一窒化物半導体層5が金属異物となり、この金属異物を介して極性の異なる配線及び電極どうしが短絡することを回避することができる。つまり、第二配線3の第三部分14において金属異物を介して半導体チップ10側と短絡することを回避することができる。
In the
このように、半導体チップ10と基体11との間で生じる短絡を回避するための絶縁保護膜等を設けることなく、短絡が生じる可能性を低減することができるため、複雑な製造工程を必要とすることなく比較的簡易な工程で製造することができる。また、極性の異なる配線と電極とが対向しないように配置するだけでよく、半導体チップ10の第一電極8及び第二電極9の配置位置は比較的制約を受けないため、第一電極8及び第二電極9を比較的最適位置に配置することができ、短絡リスクの低減と共に、半導体チップ10の電極配置の最適設計とを両立することができる。
Thus, since the possibility that a short circuit occurs can be reduced without providing an insulating protective film or the like for avoiding a short circuit occurring between the
[一態様の紫外線発光モジュール]
本発明の一態様の紫外線発光モジュールは、本発明の一態様の半導体装置100を備える。
本発明の一態様の紫外線発光モジュールは、紫外線ランプが用いられている既存の全ての装置に適用することができ、また、置換可能である。特に、波長280nm以下の深紫外線を用いている装置に適用可能である。
本発明の一態様の半導体装置100及び半導体装置100を備えた紫外線発光モジュールは、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。
[One-Mode Ultraviolet Light Emitting Module]
The ultraviolet light emitting module of one embodiment of the present invention includes the
The ultraviolet light emitting module of one embodiment of the present invention can be applied to all existing apparatuses in which an ultraviolet lamp is used, and can be replaced. In particular, the present invention can be applied to an apparatus using deep ultraviolet light having a wavelength of 280 nm or less.
The
窒化物半導体発光装置としての半導体装置100は、薬品や化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体(容器、食品、医療機器等)殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・FPD・PCB・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるがこの限りではない。
Examples of liquid sterilizers include automatic ice making equipment, ice trays, ice storage containers, water storage tanks for ice making machines, ice making machines, freezers, ice making machines, humidifiers, dehumidifiers, water server cold water tanks, hot water tanks, flow paths Pipes, stationary water purifiers, portable water purifiers, water heaters, water heaters, wastewater treatment devices, disposers, toilet drainage traps, washing machines, dialysis water sterilization modules, peritoneal dialysis connector sterilizers, disaster water storage systems, etc. This is not the case.
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。固体殺菌装置(表面殺菌装置を含む)の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。 Examples of gas sterilizers include air purifiers, air conditioners, ceiling fans, floor and bedding vacuum cleaners, futon dryers, shoe dryers, washing machines, clothes dryers, indoor sterilization lights, and storage ventilation. Examples include, but are not limited to, systems, shoe boxes, and chests. Examples of solid sterilizers (including surface sterilizers) include vacuum packers, belt conveyors, medical / dental / barber / beauty salon hand tool sterilizers, toothbrushes, toothbrush holders, chopstick boxes, cosmetic pouches, Examples include, but are not limited to, drainage lids, toilet bowl cleaners, toilet lids, and the like.
[第二実施形態]
図4は、本発明の第二実施形態における半導体装置100の一例を示す平面図である。図4のA−A′断面図を、図5に示す。なお、図4には、各層の重なりが明確になるように、一部外部に露出していない装置内部の境界線も記されている。また、図5の断面図はイメージ図であり、必ずしも図4の平面図と同一の距離や縮尺を表現してはいない。
図4及び図5に示すように、第二実施形態に係る半導体装置100は、第一実施形態に係る半導体装置100において、半導体チップ10の、第二配線3と対向する領域には第一窒化物半導体層5が露出した部分は存在せず、第二配線3の第三部分14の一部が半導体基板4の露出した部分16と対向している点を除いては、第一実施形態と同等の構造を有する。つまり、半導体装置100の厚さ方向で、第二配線3と第一窒化物半導体層5が露出した部分とは対向せず、第二配線3の第三部分14の少なくとも一部が半導体基板4が露出した部分と対向する。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a plan view showing an example of the
As shown in FIGS. 4 and 5, the
本構造を有することにより、例えば製造工程において金属異物が混入し、図5において、半導体基板4と第二配線3とが第三部分14部分において金属異物を介して接触したとしても、半導体基板4が絶縁性のため、半導体チップ10を介して、基体11において第一配線2と第二配線3との間で短絡が生じることを回避することができる。また、半導体チップ10の、第二配線3の第三部分14と対向する領域は半導体基板4であって、第二配線3はそもそも第一窒化物半導体層5とは対向しないから、第二配線3の第三部分14と半導体チップ10側との短絡の原因となる、部分的に剥がれた第一窒化物半導体層5であるパーティクルが生じることを低減することができる。つまり、短絡の原因となる部分的に剥がれた電極の発生及び部分的に剥がれた第一窒化物半導体層5の発生を抑制することができるため、結果的に第二配線3の第三部分14と半導体チップ10側との短絡が生じる可能性を低減することができ、結果的に第一配線2及び第二配線3間で短絡が生じることを回避することができる。
また、第一部分12を有することで、ワイヤボンディング等により外部から第二配線3へ配線を接続することができる。
By having this structure, even if, for example, metal foreign matter is mixed in the manufacturing process and the
In addition, since the
[第三実施形態]
図6は、本発明の第三実施形態に係る半導体装置100の一例を示す平面図である。図6のA−A′断面図を、図7に示す。なお、図6には、各層の重なりが明確になるように、一部外部に露出していない装置内部の境界線も記されている。また、図7の断面図はイメージ図であり、必ずしも図6の平面図と同一の距離や縮尺を表現してはいない。
第三実施形態における半導体装置100は、第一実施形態における半導体装置100において、第一部分12を有していないこと以外は同様である。
したがって、この場合も、例えば製造工程において金属異物が混入し、図7において、第二配線3の第三部分14と第一窒化物半導体層5とが金属異物を介して接触したとしても、金属異物と第一窒化物半導体層5との間の大きな接触抵抗のために短絡という故障を引き起こす可能性を極力小さくすることができる。さらに、第一部分12を有していないことにより、その分、半導体装置100の外形を小さくすることができる。
[Third embodiment]
FIG. 6 is a plan view showing an example of the
The
Accordingly, even in this case, for example, metal foreign matter is mixed in the manufacturing process, and even if the
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the said embodiment has illustrated the apparatus and method for materializing the technical idea of this invention, and the technical idea of this invention is a component. It does not specify the material, shape, structure, arrangement, etc. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope defined by the claims described in the claims.
1 パッケージ基板
2 第一配線
3 第二配線
4 半導体基板
5 第一窒化物半導体層
6 窒化物半導体活性層
7 第二窒化物半導体層
8 第一電極
9 第二電極
10 半導体チップ
11 基体
12 第一部分
13 第二部分
14 第三部分
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記パッケージ基板の一方の面上に形成された第一配線と、
前記一方の面上に前記第一配線と絶縁されて形成された第二配線と、
を有する基体、及び
半導体基板と、
前記半導体基板の前記基体側の表面上に形成された第一導電型の第一窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層上の一部に形成された窒化物半導体活性層と、
前記窒化物半導体活性層上に形成された第二導電型の第二窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層上の前記窒化物半導体活性層が形成されていない領域の一部に設けられた第一電極と、
前記第二窒化物半導体層上に形成された第二電極と、
を有する半導体チップ、
を備え、
前記第一電極の少なくとも一部は、前記第一配線と接合され、
前記第二電極の少なくとも一部は、前記第二配線と接合され、
前記半導体チップの前記第二配線と対向する領域上には、前記第一電極が設けられていない半導体装置。 A package substrate;
A first wiring formed on one surface of the package substrate;
A second wiring formed on the one surface so as to be insulated from the first wiring;
A substrate having a semiconductor substrate, and a semiconductor substrate;
A first nitride semiconductor layer of a first conductivity type formed on a surface of the semiconductor substrate on the base side;
A nitride semiconductor active layer formed on a part of the first nitride semiconductor layer;
A second nitride semiconductor layer of a second conductivity type formed on the nitride semiconductor active layer;
A first electrode provided in a part of the region where the nitride semiconductor active layer is not formed on the first nitride semiconductor layer;
A second electrode formed on the second nitride semiconductor layer;
A semiconductor chip having
With
At least a part of the first electrode is joined to the first wiring,
At least a part of the second electrode is joined to the second wiring,
A semiconductor device in which the first electrode is not provided on a region facing the second wiring of the semiconductor chip.
前記第三部分の少なくとも一部は、前記第一窒化物半導体層と対向する請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。 The second wiring includes a first portion formed in a part of a region not facing the semiconductor chip of the package substrate, a second portion formed in a region facing the second electrode of the package substrate, A third portion connecting the first portion and the second portion,
The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of the third portion is opposed to the first nitride semiconductor layer.
前記第二電極は、前記メサ構造部の頂部に形成され、
前記第一電極は、平面視で、前記第二部分と前記第三部分の少なくとも一部とを囲む領域に形成されている請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor chip has a mesa structure portion formed of a part of the first nitride semiconductor layer, the nitride semiconductor active layer, and the second nitride semiconductor layer,
The second electrode is formed on the top of the mesa structure,
The semiconductor device according to claim 5, wherein the first electrode is formed in a region surrounding the second part and at least a part of the third part in a plan view.
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