JP2019149480A - 半導体素子、発光装置、および発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】層間絶縁膜のクラックや剥離が抑制された発光素子を提供すること。【解決手段】第1層間絶縁膜18は、DBR層15上、第1p電極16上、第1n電極17上に連続して膜状に設けられている。第1層間絶縁膜18は、SiO2層とTiO2層とを交互に積層させた多層膜であり、層数は11層である。SiO2層18Aは圧縮応力を発生させる性質を有した材料であり、TiO218Bは加熱によって圧縮応力を発生させる性質から引張応力を発生させる性質へと変化する材料である。そのため、実施例1の発光素子が高温に晒された場合、第1層間絶縁膜18中のTiO2層18Bは引張応力を発生させる性質に変化し、TiO2層18Bによる引張応力とSiO2層18Aによる圧縮応力とが打ち消し合う。その結果、第1層間絶縁膜18の内部応力が緩和される。【選択図】図1
Description
本発明は、層間絶縁膜の構造に特徴を有するIII 族窒化物半導体からなる半導体素子に関するものであり、特に発光素子に関するものである。また、その発光素子をガラス封止した発光装置、およびその製造方法に関するものである。
発光素子をガラスで封止した発光装置が知られている(たとえば特許文献1)。シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などによる樹脂封止に比べて、耐光性、耐熱性に優れ、ガスを透過しないなど、耐環境性に優れるという利点がある。
また、コンタクト電極をドット状にして複数個設け、そのコンタクト電極上に層間絶縁膜、パッド電極を順に積層し、層間絶縁膜に空けた孔を介してコンタクト電極とパッド電極とを接続した構造の発光素子が知られている。
III 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子では、半導体層のAl組成比が高いことから電流の面内拡散が難しい。そこで、特許文献2のような電極構造を紫外発光の発光素子にも採用することが考えられる。
しかし、III 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子の電極構造として特許文献2のものを採用し、その発光素子を特許文献1のようにガラス封止すると、層間絶縁膜と電極との間で剥離が生じたり、層間絶縁膜にクラックが生じてしまうことがわかった。その結果、発光素子の電気的、光学的な特性が悪化したり、部分的な発光となってしまう問題が生じた。
そこで本発明の目的は、層間絶縁膜が電極から剥離したり、層間絶縁膜にクラックが生じたりするのが抑制された半導体素子を提供することである。
本発明は、III 族窒化物半導体からなる半導体層と、半導体層上に設けられた第1電極と、第1電極上に設けられた層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に設けられた第2電極と、を有し、層間絶縁膜に開けられた孔を介して第1電極と第2電極とが接続された半導体素子において、層間絶縁膜は、引張応力を生じさせる材料からなる第1の絶縁膜と、圧縮応力を生じさせる材料からなる第2の絶縁膜とを交互に3層以上積層させた多層膜である、ことを特徴とする半導体素子である。
第1の絶縁膜の厚さと第2の絶縁膜の厚さとの和に対する第1の絶縁膜の厚さの比は0.1〜0.5であることが望ましい。この範囲であれば、層間絶縁膜に係る内部応力をより緩和させることができ、耐圧もより向上させることができる。より望ましくは0.1〜0.4、さらに望ましくは0.2〜0.3である。
層間絶縁膜は、最上層と最下層を第2の絶縁膜とする多層膜とするのがよい。第1電極および第2電極に対する密着性を向上させることができる。
第1の絶縁膜は、引張応力を生じさせる材料であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、TiO2 などである。第2の絶縁膜は、圧縮応力を生じさせる材料であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、SiO2 、SiN、Al2 O3 、などである。第2の絶縁膜をSiO2 とする場合、第1電極を多層として最上層をTaまたはMoとするのがよい。熱膨張係数差が小さくなるため、素子が高温に晒された場合の層間絶縁膜のクラックや剥離を抑制することができる。
本発明は任意の半導体素子に適用できるが、特に発光素子に好適である。また、紫外発光の発光素子に特に好適である。発光素子に本発明を適用する場合、層間絶縁膜をDBR構造としてもよい。
また、本発明はガラス封止の発光装置における発光素子に好適である。ガラス封止時には発光素子は高温に晒されるが、本発明によればそのような場合であっても層間絶縁膜にクラックや剥離が生じるのを抑制することができる。特に、ガラス封止温度が400℃以上の場合に好適である。
本発明によれば、層間絶縁膜に係る内部応力が緩和されるので、層間絶縁膜の剥離やクラックを抑制することができる。また、耐圧性を向上させることができる。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図1は、実施例1の紫外発光の発光素子の構成を示した図であり、図2は、実施例1の発光素子を上方から見た図である。実施例1の発光素子はフリップチップ型であり、図1のように、基板10と、n層11と、発光層12と、p層13と、透明電極14と、DBR層15と、第1p電極16と、第1n電極17と、第1層間絶縁膜18と、第2p電極19と、第2n電極20と、第2層間絶縁膜21と、第3p電極22と、第3n電極23と、を有している。第1p電極16および第1n電極17は本発明の第1電極に相当し、第2p電極19および第2n電極20は本発明の第2電極に相当している。以下、発光素子の各構成についてより詳しく説明する。
(基板10の構成)
基板10は、サファイアからなり、主面はc面である。また、基板10は平面視で正方形である。基板10表面は凹凸形状を有している。この凹凸形状によって光取り出しの向上を図るとともに、その上に積層される半導体層にクラックやヒロックが発生するのを抑制し、結晶性の向上を図っている。
基板10は、サファイアからなり、主面はc面である。また、基板10は平面視で正方形である。基板10表面は凹凸形状を有している。この凹凸形状によって光取り出しの向上を図るとともに、その上に積層される半導体層にクラックやヒロックが発生するのを抑制し、結晶性の向上を図っている。
基板10上には、バッファ層、埋め込み層、アンドープ層(いずれも図示しない)が順に積層されている。バッファ層は、スパッタ法により形成されたAlNからなり、その厚さは15〜30nmである。埋め込み層は、アンドープのAlGaNからなる。Al組成比は10%である。埋め込み層は、横方向成長によって凹凸を埋め込んで、表面を平坦化させるための層である。アンドープ層は、厚さ0.1〜3μmのアンドープAlGaNからなり、Al組成比は10〜15%である。アンドープ層を設けることによって、転位を減少させて結晶品質の向上を図るとともに、基板10との格子定数差による応力の緩和を図っている。
(n層11の構成)
n層11は、アンドープ層上に設けられている。また、n層11は、Siドープのn−AlGaNからなり、厚さ0.1〜3μmである。n型層14のAl組成比は、アンドープ層13のAl組成比以上であれば任意であり、たとえば10〜50%である。n型不純物はSiであり、Si濃度は1×1018〜1×1020/cm3 である。
n層11は、アンドープ層上に設けられている。また、n層11は、Siドープのn−AlGaNからなり、厚さ0.1〜3μmである。n型層14のAl組成比は、アンドープ層13のAl組成比以上であれば任意であり、たとえば10〜50%である。n型不純物はSiであり、Si濃度は1×1018〜1×1020/cm3 である。
(発光層12の構成)
発光層12は、n層11上に設けられている。発光層12は、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたMQW構造である。繰り返し回数はたとえば2〜5回である。井戸層の材料は、発光波長に応じて選択される。遠紫外発光の場合にはAlGaNが用いられ、近紫外発光の場合(波長365nm以上の場合)にはGaNやInGaNが用いられる。井戸層のAl組成比やIn組成比は、発光素子の発光波長に応じて設計される。障壁層はAlGaNからなり、井戸層よりもAl組成比の高いAlGaNからなる。井戸層の厚さは1分子層〜15nm、障壁層の厚さは2〜15nmである。井戸層や障壁層にはAlGaInNを用いてもよい。なお、発光層20はSQW(単一量子井戸構造)としてもよい。
発光層12は、n層11上に設けられている。発光層12は、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたMQW構造である。繰り返し回数はたとえば2〜5回である。井戸層の材料は、発光波長に応じて選択される。遠紫外発光の場合にはAlGaNが用いられ、近紫外発光の場合(波長365nm以上の場合)にはGaNやInGaNが用いられる。井戸層のAl組成比やIn組成比は、発光素子の発光波長に応じて設計される。障壁層はAlGaNからなり、井戸層よりもAl組成比の高いAlGaNからなる。井戸層の厚さは1分子層〜15nm、障壁層の厚さは2〜15nmである。井戸層や障壁層にはAlGaInNを用いてもよい。なお、発光層20はSQW(単一量子井戸構造)としてもよい。
(p層13の構成)
p層13は、発光層12上に設けられている。p層13は、発光層12側から順に、電子ブロック層、pコンタクト層の積層で構成されている。
p層13は、発光層12上に設けられている。p層13は、発光層12側から順に、電子ブロック層、pコンタクト層の積層で構成されている。
電子ブロック層は、Mgドープのp−AlGaNからなる。Mg濃度は1×1019〜1×2021/cm3 、Al組成比は30〜50%、厚さは1〜50nmである。電子ブロック層21を設けることで電子がpコンタクト層22側に拡散して発光効率を低下させてしまうことを抑制している。この抑制効果をより高めるために、電子ブロック層21のAl組成比を発光層20の障壁層のAl組成比よりも10%以上高くすることが好ましい。
pコンタクト層は、電子ブロック層側から順に、Mgドープのp−AlGaNからなる第1層、Mgドープのp−GaNからなる第2層の積層である。第1層は厚さ20〜100nm、Mg濃度は1×1019〜1×2020/cm3 、第2層は厚さ2〜10nm、Mg濃度は1×1020〜1×2022/cm3 である。第1層のAl組成比は、電子ブロック層のAl組成比よりも低く、かつn型層14のAl組成比よりも高くすることが望ましく、たとえば10〜20%である。
p層13表面の一部領域には、n層11に達するドット状の孔が複数設けられている。この孔は、第1n電極17をn層11と接続するためのものである。
(透明電極14の構成)
透明電極14は、pコンタクト層上にほぼ全面にわたって設けられている。透明電極14は、IZO(亜鉛ドープの酸化インジウム)からなる。IZO以外にも、ITO、ICO(セリウムドープの酸化インジウム)など、発光素子の発光波長に対して透明な導電性材料であれば任意の材料を用いることができる。
透明電極14は、pコンタクト層上にほぼ全面にわたって設けられている。透明電極14は、IZO(亜鉛ドープの酸化インジウム)からなる。IZO以外にも、ITO、ICO(セリウムドープの酸化インジウム)など、発光素子の発光波長に対して透明な導電性材料であれば任意の材料を用いることができる。
(DBR層15の構成)
DBR層15は、透明電極14および孔の側面および底面を覆うようにして連続的に膜状に設けられている。DBR層15は、SiO2 とTiO2 を交互に積層させた多層膜であり、層数は31層である。また、SiO2 とTiO2 の厚さは、干渉によって発光波長の光を高反射するように設定されている。このDBR層15によって、発光層12から光取り出し側とは反対側へと放射される光を光取り出し側(基板10側)へと効率的に反射させ、光取り出し効率を高めている。
DBR層15は、透明電極14および孔の側面および底面を覆うようにして連続的に膜状に設けられている。DBR層15は、SiO2 とTiO2 を交互に積層させた多層膜であり、層数は31層である。また、SiO2 とTiO2 の厚さは、干渉によって発光波長の光を高反射するように設定されている。このDBR層15によって、発光層12から光取り出し側とは反対側へと放射される光を光取り出し側(基板10側)へと効率的に反射させ、光取り出し効率を高めている。
DBR層15には、所定領域にDBR層15を貫通する孔が複数設けられている。これらの孔を介して、第1p電極16と透明電極14とが接続され、第1n電極17とn層11とが接続されている。
(第1p電極16の構成)
第1p電極16は、DBR層15上であって透明電極14およびp層13の上部に当たる領域に設けられている。また、第1p電極16は、DBR層15に設けられた孔を埋めるようにして形成されており、これにより第1p電極16は透明電極14と接続されている。つまり、第1p電極はpコンタクト電極として機能している。
第1p電極16は、DBR層15上であって透明電極14およびp層13の上部に当たる領域に設けられている。また、第1p電極16は、DBR層15に設けられた孔を埋めるようにして形成されており、これにより第1p電極16は透明電極14と接続されている。つまり、第1p電極はpコンタクト電極として機能している。
第1p電極16は、Ti/Ru/Au/Taからなる。ここで「/」は、積層を意味し、A/BはA、Bの順に積層した構造であることを意味する。以下、材料の説明において同様である。Ti層は、透明電極14との密着性およびコンタクトを図るための層である。Ru層は、発光波長である紫外線の反射率を高めるための層である。Au層は、電導性を確保するための層である。Ta層は、耐蝕性などを高めるとともに、第1層間絶縁膜18との熱膨張係数差を小さくし、第1層間絶縁膜18の内部応力を緩和するための層である。このように、第1p電極16を多層として最上層(第1層間絶縁膜18と接する層)をTaとすることにより、実施例1の発光素子が高温に晒された場合に第1層間絶縁膜18にクラックが生じたり、第1層間絶縁膜18が第1p電極16から剥離してしまうのを抑制することができる。
なお、実施例1では第1p電極16の最上層をTa層としているが、これに限るものではない。第1層間絶縁膜18の最下層(実施例1ではSiO2 層18A)と、第1p電極16の最上層との熱膨張係数差が0×10-6/K〜22×10-6/Kとなるのであれば他の材料を用いてよい。たとえばMoなどを用いることができる。
(第1n電極17の構成)
第1n電極17は、DBR層15に開けられた孔によって露出したn層11の表面上に設けられている。また、第1n電極17は、第1p電極16と同一の材料であり、Ti/Ru/Au/Taからなる。第1p電極16と同様に最上層がTaであるため、同様の効果が得られる。すなわち、実施例1の発光素子が高温に晒された場合の第1層間絶縁膜18の内部応力を低減することができ、第1層間絶縁膜18にクラックが生じたり、第1n電極17から剥離してしまうのを抑制することができる。
第1n電極17は、DBR層15に開けられた孔によって露出したn層11の表面上に設けられている。また、第1n電極17は、第1p電極16と同一の材料であり、Ti/Ru/Au/Taからなる。第1p電極16と同様に最上層がTaであるため、同様の効果が得られる。すなわち、実施例1の発光素子が高温に晒された場合の第1層間絶縁膜18の内部応力を低減することができ、第1層間絶縁膜18にクラックが生じたり、第1n電極17から剥離してしまうのを抑制することができる。
(第1層間絶縁膜18の構成)
第1層間絶縁膜18は、DBR層15上、第1p電極16上、第1n電極17上に連続して膜状に設けられている。第1層間絶縁膜18は、図3に示すように、SiO2 層18AとTiO2 層18Bとを交互に積層させた多層膜であり、層数は11層である。最下層(第1p電極16および第1n電極17に接する層)および最上層(第2p電極19および第2n電極20に接する層)はSiO2 層18Aである。
第1層間絶縁膜18は、DBR層15上、第1p電極16上、第1n電極17上に連続して膜状に設けられている。第1層間絶縁膜18は、図3に示すように、SiO2 層18AとTiO2 層18Bとを交互に積層させた多層膜であり、層数は11層である。最下層(第1p電極16および第1n電極17に接する層)および最上層(第2p電極19および第2n電極20に接する層)はSiO2 層18Aである。
第1層間絶縁膜18をこのような多層膜とすることで、実施例1の発光素子が高温に晒された場合に第1層間絶縁膜18が第1p電極16および第1n電極17から剥離することが抑制され、第1層間絶縁膜18にクラックが生じることが抑制される。その理由は次の通りである。SiO2 層18Aは圧縮応力を発生させる性質を有した材料であり、加熱してもその性質は変化しないのに対し、TiO2 18Bは加熱によって圧縮応力を発生させる性質から引張応力を発生させる性質へと変化する材料である。そのため、実施例1の発光素子が高温(たとえば400℃以上)に晒された場合、第1層間絶縁膜18中のTiO2 層18Bは引張応力を発生させる性質に変化し、TiO2 層18Bによる引張応力とSiO2 層18Aによる圧縮応力とが打ち消し合う。その結果、第1層間絶縁膜18の内部応力が緩和され、第1層間絶縁膜18にクラックが生じたり、第1層間絶縁膜18が第1p電極16および第1n電極17から剥離することが抑制される。
また、第1層間絶縁膜18を多層膜とすることで、発光素子の耐圧性が向上する。その理由は次の通りである。第1層間絶縁膜18は異なる材料を交互に積層させた多層膜であるため、第1層間絶縁膜18中のある1層にクラックなどの欠陥が生じていても、その欠陥が上層に引き継がれない。そのため、欠陥が厚さ方向に連続してしまうことが抑制されている。その結果、第1層間絶縁膜18の耐圧性が向上している。
なお、実施例1では第1層間絶縁膜18の積層数は11層としたが、3層以上であれば任意でよい。2層では界面において剥離してしまう恐れがある。より好ましくは3〜11層である。
また、実施例1では、最下層と最上層をSiO2 層18Aとしているが、一方または両方をTiO2 層18Bとしてもよい。ただし、電極との密着性の点から実施例1のように最下層と最上層をSiO2 層18Aとすることが望ましい。
SiO2 層18Aの厚さとTiO2 層18Bの厚さの和に対するTiO2 層18Bの厚さの比(以下、単に膜厚比とする)は、0.1〜0.5とすることが望ましい。この範囲であれば、第1層間絶縁膜18に係る内部応力をより低減することができ、かつ耐圧性をより向上させることができる。より望ましい膜厚比は0.1〜0.4、さらに望ましい膜厚比は0.2〜0.3である。
第1層間絶縁膜18中の各SiO2 層18Aの厚さは同じである必要はない。TiO2 層18Bについても同様である。その場合は各SiO2 層18Aの厚さの和と各TiO2 層18Bの厚さの和に対する、各TiO2 層18Bの厚さの和の比が、上記の範囲であることが好ましい。
また、SiO2 層18AとTiO2 層18Bの膜厚を所定の値に設定することで、発光波長に対して高い反射率を有したDBR構造としてもよい。DBR層15によって反射できなかった光を第1層間絶縁膜18によって反射させることができ、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
また、実施例1ではTiO2 とSiO2 とを交互に積層させた多層膜としているが、他の材料を用いることも可能である。圧縮応力を発生させる性質の材料であって、加熱してもその性質が変わらない材料であれば、SiO2 に替えて用いることができる。たとえば、SiN、Al2 O3 などを用いることもできる。また、加熱後(特に400℃以上)に引張応力を発生させる性質の材料であれば、TiO2 に替えて用いることができる。
(第2p電極19および第2n電極20の構成)
第2p電極19および第2n電極20は、第1層間絶縁膜18上に離間して設けられている。第2p電極19および第2n電極20の材料は第1p電極16と同様である。第1p電極16と第2p電極19は、第1層間絶縁膜18に開けられた孔を介して接続されている。第1n電極17と第2n電極20も同様に、第1層間絶縁膜18に開けられた孔を介して接続されている。
第2p電極19および第2n電極20は、第1層間絶縁膜18上に離間して設けられている。第2p電極19および第2n電極20の材料は第1p電極16と同様である。第1p電極16と第2p電極19は、第1層間絶縁膜18に開けられた孔を介して接続されている。第1n電極17と第2n電極20も同様に、第1層間絶縁膜18に開けられた孔を介して接続されている。
(第2層間絶縁膜21の構成)
第2層間絶縁膜21は、第2p電極19上、第2n電極20上、および第1層間絶縁膜18上に連続して膜状に設けられている。第2層間絶縁膜21は、SiO2 からなる。第2層間絶縁膜21のうち所定の領域には、第2層間絶縁膜21を貫通する孔が設けられている。この孔を介して、第2p電極19と第3n電極23とが接続され、第2n電極20と第3n電極23とが接続される。
第2層間絶縁膜21は、第2p電極19上、第2n電極20上、および第1層間絶縁膜18上に連続して膜状に設けられている。第2層間絶縁膜21は、SiO2 からなる。第2層間絶縁膜21のうち所定の領域には、第2層間絶縁膜21を貫通する孔が設けられている。この孔を介して、第2p電極19と第3n電極23とが接続され、第2n電極20と第3n電極23とが接続される。
なお、第2層間絶縁膜21についても、第1層間絶縁膜18と同様の多層膜で構成してよい。第2層間絶縁膜21のクラックや剥離を抑制することができ、発光素子の電気的、光学的な特性の悪化をより抑制することができる。
(第3p電極22および第3n電極23の構成)
第3p電極22および第3n電極23は、第2層間絶縁膜21上にそれぞれ離間して設けられている。図2のように、第3p電極22および第3n電極23はおよそ長方形である。第3p電極22、第3n電極23は、第2層間絶縁膜21に開けられた孔を介して、第2p電極19、第2n電極20とそれぞれ接続されている。実施例1の発光素子がフリップチップ実装された際に、第3p電極22、第3n電極23と素子外部の電極パターンとが接続される。
第3p電極22および第3n電極23は、第2層間絶縁膜21上にそれぞれ離間して設けられている。図2のように、第3p電極22および第3n電極23はおよそ長方形である。第3p電極22、第3n電極23は、第2層間絶縁膜21に開けられた孔を介して、第2p電極19、第2n電極20とそれぞれ接続されている。実施例1の発光素子がフリップチップ実装された際に、第3p電極22、第3n電極23と素子外部の電極パターンとが接続される。
実施例1の発光素子では、電極構造を第1層間絶縁膜18、第2層間絶縁膜21を挟んで3層構造とすることで、n層11およびp層13に対して複数のドット状に電極が接触する構造を実現し、面内に均一に電流が拡散するようにしている。紫外発光では半導体層のAl組成比が高くなり、面内の電流拡散が難しいため、このような電極構造が適している。
以上、実施例1の発光素子は、第1層間絶縁膜18を、引張応力を発生させる材料であるTiO2 と、圧縮応力を発生させる材料であるSiO2 とを交互に積層させた多層膜としている。そのため、発光素子が高温に晒された場合の第1層間絶縁膜18に係る応力が低減されており、第1層間絶縁膜18にクラックが生じたり、第1層間絶縁膜18が第1p電極16や第1n電極17から剥離したりすることが抑制されている。その結果、発光素子の電気的、光学的な特性の悪化や、部分的な発光となってしまうことが抑制されている。また、第1層間絶縁膜18が多層膜であるため、耐圧性も向上している。
次に、実施例1に関する各種実験結果について説明する。
図4は、第1層間絶縁膜18の材料を替えて第1層間絶縁膜18に発生する内部応力を比較したグラフである。また、加熱によって内部応力がどのように変化するかも比較した。加熱は550℃、40秒間、窒素雰囲気で行った。
図4のように、第1層間絶縁膜18を厚さ900nmのSiO2 単層とした場合や、厚さ900nmのSiN単層とした場合には、第1層間絶縁膜18に圧縮応力が発生し、加熱前後でもその性質は変化しなかった。また、厚さ900nmのAlN単層とした場合には、第1層間絶縁膜18に引張応力が発生し、加熱前後でもその性質は変化しなかった。一方、厚さ800nmのTiO2 単層とした場合には、加熱前においては圧縮応力が発生し、その大きさはSiO2 単層やSiN単層に比べて大きいことがわかった。また、加熱後においては引張応力が発生し、その大きさはAlNに比べて大きいことがわかった。このように、TiO2 は加熱によって性質が変化することがわかった。
また、第1層間絶縁膜18を厚さ334nmのTiO2 と厚さ1105nmのSiO2 を交互に11層積層させた多層膜とした場合、加熱前後でいずれも圧縮応力が発生するが、加熱後においてはSiO2 単層の場合よりも圧縮応力が低減されていた。
また、第1層間絶縁膜18を厚さ400nmのNb2 O5 と厚さ1360nmのSiO2 を交互に11層積層させた多層膜とした場合、加熱前後でいずれも圧縮応力が発生し、SiO2 単層の場合よりも圧縮応力が大きかった。
図5は、第1層間絶縁膜18をSiO2 とTiO2 の多層膜とした場合における、膜厚比と内部応力との関係を示したグラフである。内部応力は加熱前と加熱後の双方示している。加熱の条件は図4と同様である。膜厚比は、SiO2 層の厚さとTiO2 層の厚さの和に対するTiO2 層の厚さの比である。
図5のように、加熱前においては、膜厚比が増加するに従って単調に圧縮応力が増大していった。加熱後においては、膜厚比が増大すると徐々に圧縮応力が低減されていき、膜厚比0.38付近で応力が0となり、その後は引張応力に転じて徐々に引張応力が増大していくことがわかった。
図4、5の結果から、TiO2 とSiO2 との多層膜とし、その膜厚比を制御することにより、加熱前後での第1層間絶縁膜18の内部応力を制御でき、第1層間絶縁膜18に係る内部応力を低減できることがわかった。特に、加熱後においてSiO2 単層よりも内部応力を抑制するためには、膜厚比を0.1〜0.5の範囲とする必要があることがわかった。
図6は、第1層間絶縁膜18の材料を図4と同様に替えて第1層間絶縁膜18の耐圧を比較したグラフである。また、加熱によって耐圧がどのように変化するかも比較した。加熱条件は図4と同様である。なお、耐圧は単位厚さ当たりに換算した値である。
図6のように、SiN単層やAlN単層とした場合、加熱前後のいずれにおいてもSiO2 単層より耐圧が高くなった。一方、TiO2 単層とした場合、加熱前後のいずれにおいてもSiO2 単層より耐圧が低く、特に加熱後は著しく耐圧が低かった。
一方、厚さ334nmのTiO2 と厚さ1105nmのSiO2 を交互に11層積層させた多層膜とした場合、加熱前後のいずれもSiO2 単層より耐圧が高く、測定限界を超えていた。
また、厚さ400nmのNb2 O5 と厚さ1360nmのSiO2 を交互に11層積層させた多層膜とした場合も、加熱前後のいずれもSiO2 単層より耐圧が高く、測定限界を超えていた。
このように、第1層間絶縁膜18を多層膜とすることで、測定限界を超える高い耐圧を得られることがわかった。
図7は、第1層間絶縁膜18をSiO2 とTiO2 の多層膜とした場合における、膜厚比と耐圧との関係を示したグラフである。耐圧は加熱前と加熱後の双方示している。加熱前後における耐圧との関係を示したグラフである。加熱の条件は図4と同様である。また膜厚比の定義は図5と同様である。また耐圧は図6と同様に単位厚さ当たりに換算した値である。
図7のように、加熱前後のいずれの場合であっても、膜厚比0.23付近当たりまでは膜厚比の増加に従って耐圧も上昇していき、膜厚比がそれを超えると耐圧は減少していくことがわかった。また、加熱後においてSiO2 単層よりも大きな耐圧を得るためには、膜厚比を0.55以下とする必要があることがわかった。
図8は、絶縁膜上に電極を形成した場合の、加熱後の絶縁膜の絶縁性を示したグラフである。試料はSi基板上に電極、SiO2 からなる絶縁膜を順に積層したものである。電極材料はTi/Ru/Au/AlとTi/Ru/Au/Taの2種類とし、絶縁膜の成膜時の圧力を1.0Paとして、電極材料をTi/Ru/Au/Alとした場合が図8(a)であり、Ti/Ru/Au/Taとした場合が図8(b)である。また、絶縁膜の成膜時の圧力を0.13Paとして、電極材料をTi/Ru/Au/Alとした場合が図8(c)であり、Ti/Ru/Au/Taとした場合が図8(d)である。加熱条件は図4と同様である。また、図8のグラフ中の番号の違いはウェハの測定位置の違いである。
図8のように、成膜時の圧力が1.0Pa、0.13Paのいずれの場合であっても、電極の最上層をAlからTaに替えることで、耐圧性が向上することがわかった。
図9は、加熱後の発光素子を上面から撮影した写真である。図9(a)が第1p電極16および第1n電極17の材料としてTi/Ru/Au/Taを用いた実施例1の発光素子、図9(b)が第1p電極16および第1n電極17の材料としてTi/Ru/Au/Alを用いた比較例の発光素子である。
図9のように、比較例1の発光素子では黒色のドット状の領域が複数見られた。これは第1層間絶縁膜18が第1p電極16あるいは第1n電極17から剥離した領域と対応していた。一方、実施例1の発光素子では黒色のドット状の領域は見られず、第1層間絶縁膜18の剥離は見られなかった。
図8、9のように、第1p電極16および第1n電極17の最上層をAlからTaに替えることで、第1層間絶縁膜18の絶縁性、耐圧性が向上し、剥離も抑制されることがわかった。これは、SiO2 とAlでは線膨張係数差が22.4×10-6/Kと大きいため、加熱時に線膨張係数差によってSiO2 にクラックが生じてしまったり剥離してしまうのに対し、SiO2 とTaでは線膨張係数差が5.7×10-6/Kと小さく、SiO2 のクラックや剥離が抑制されているためと考えられる。
実施例2は、実施例1の発光素子をガラス封止した発光装置である。図10のように、実施例2の発光装置は、実施例1の発光素子100と、発光素子100を実装する実装基板101と、発光素子100を封止する封止ガラス102と、によって構成されている。
実装基板101は、平面視で正方形のAlNからなるセラミック基板である。実装基板101の表面(発光素子100実装側の面)には、配線パターン103が形成されている。また、実装基板101の裏面には、裏面電極パターン104が形成されている。そして、配線パターン103と裏面電極パターン104はビア105を介して接続されている。ビア105は実装基板101を貫通する円柱状の孔を導電性材料で埋め込んだものである。発光素子100は、実装基板101上にフリップチップ実装されており、図示しないパンプを介して発光素子100の電極と、実装基板101の配線パターン103とが接続されている。
実装基板101の材料は、AlN以外のセラミックを用いてもよい。たとえばAl2 O3 などを用いることができる。他にも、金属、ガラス、ガラスセラミック、などを用いることもできる。
封止ガラス102は、実装基板101上に発光素子100を覆うようにして設けられた直方体状のガラスである。封止ガラス102の側面は実装基板101の側面と一致し、発光装置全体として直方体となっている。
封止ガラス102は、リン酸塩ガラスを溶媒として石英ガラスの粉末を分散させたペーストの固化物である。リン酸塩ガラスは、SnO−P2 O5 系ガラス、ZnO−P2 O5 系ガラス、ZnO−SnO−P2 O5 系ガラス、P2 O5 −F系ガラス、などを用いることができる。リン酸塩ガラス以外にも、軟化点が500℃以下の任意の低融点ガラスを用いることができる。
封止ガラス102には、蛍光体が混合されている。これにより、発光素子100から放射される紫外線を白色光に変換している。もちろん、蛍光体を混合せずに紫外線をそのまま放射するようにしてもよい。
次に、実施例2の発光装置の製造方法について説明する。
まず、実装基板101上に発光素子100をフリップチップ実装する。実装方法は従来知られている任意の方法でよい。たとえば発光素子100の第3n電極23および第3n電極23上にバンプを形成し、発光素子100の第3n電極23および第3n電極23側を実装基板102側に向け、実装基板102の配線パターン103の所定位置と発光素子100のバンプとの位置を合わせ、超音波による振動によってバンプを溶融させることで、発光素子100の第3n電極23および第3n電極23と実装基板102上の配線パターン103とを接続する。
次に、封止ガラス102を実装基板101上部に配置し、封止温度まで加熱した後、封止ガラス102と実装基板101とを加圧して密着させ、その後室温まで冷却する。これにより発光素子100を封止ガラス102により封止する。封止温度は封止ガラス102の軟化点以上融点未満であればよい。たとえば400℃以上である。
発光素子100はガラス封止による高温に晒されるが、第1層間絶縁膜18として、SiO2 層18AとTiO2 層18Bとを交互に積層させた多層膜を用いているため、第1層間絶縁膜18にクラックが生じたり、第1層間絶縁膜18が第1p電極16や第1n電極17から剥離することは抑制されている。
以上、実施例2の発光装置は、発光素子100として実施例1のものを用いているので、発光素子100がガラス封止時に高温に晒されても、発光素子100中の第1層間絶縁膜18が第1p電極16や第1n電極17から剥離してしまったり、第1層間絶縁膜18にクラックが生じてしまったりするのが抑制されている。そのため、発光素子100の電気的、光学的な特性を悪化させてしまうことが抑制され、部分的な発光となってしまうことが抑制されている。
(各種変形例)
実施例1の発光素子は紫外発光であるが、本発明は紫外発光に限るものではなく、任意の発光波長でよい。
実施例1の発光素子は紫外発光であるが、本発明は紫外発光に限るものではなく、任意の発光波長でよい。
また、本発明は発光素子に限らず、任意の半導体素子に適用することができる。たとえば、MOSFET、IGBT、HFETなど、パワーデバイスや高周波デバイスにも本発明を適用することができる。
本発明は各種半導体素子に適用することができる。特に、紫外発光の発光素子への適用に有効である。
10:基板
11:n層
12:発光層
13:p層
14:透明電極
15:DBR層
16:第1p電極
17:第1n電極
18:第1層間絶縁膜
18A:SiO2 層
18B:TiO2 層
19:第2p電極
20:第2n電極
21:第2層間絶縁膜
22:第3p電極
23:第3n電極
100:発光素子
101:実装基板
102:封止ガラス
11:n層
12:発光層
13:p層
14:透明電極
15:DBR層
16:第1p電極
17:第1n電極
18:第1層間絶縁膜
18A:SiO2 層
18B:TiO2 層
19:第2p電極
20:第2n電極
21:第2層間絶縁膜
22:第3p電極
23:第3n電極
100:発光素子
101:実装基板
102:封止ガラス
Claims (11)
- サファイアからなる基板と、前記基板上に設けられたIII 族窒化物半導体からなる半導体層と、前記半導体層上に設けられた第1電極と、前記第1電極上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に設けられた第2電極と、を有し、前記層間絶縁膜に開けられた孔を介して前記第1電極と前記第2電極とが接続された半導体素子において、
前記層間絶縁膜は、引張応力を生じさせる材料からなる第1の絶縁膜と、圧縮応力を生じさせる材料からなる第2の絶縁膜とを交互に3層以上積層させた多層膜である、
ことを特徴とする半導体素子。 - 前記第1の絶縁膜の厚さと前記第2の絶縁膜の厚さとの和に対する前記第1の絶縁膜の厚さの比が0.1〜0.5である、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記層間絶縁膜は、最上層と最下層が前記第2の絶縁膜である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体素子。
- 前記第2の絶縁膜はSiO2 からなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の半導体素子。
- 前記第1電極は多層であり、最上層は、TaまたはMoである、ことを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。
- 前記第1の絶縁膜はTiO2 からなることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の半導体素子。
- 発光素子であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の半導体素子。
- 紫外発光であることを特徴とする請求項7に記載の半導体素子。
- 前記層間絶縁膜は、DBR構造である、ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体素子。
- 請求項7ないし請求項9のいずれか1項に記載の半導体素子と、前記半導体素子を封止する封止ガラスと、
を有することを特徴とする発光装置。 - 請求項7ないし請求項9のいずれか1項に記載の半導体素子を、400℃以上でガラス封止する工程を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
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