JP2022044337A

JP2022044337A - 半導体発光装置

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Publication number: JP2022044337A
Application number: JP2020149918A
Authority: JP
Inventors: 聡田中; Satoshi Tanaka; 俊之小幡; Toshiyuki Obata
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: JP7517917B2

Abstract

【課題】合金を接合部材として、半導体発光素子を基盤に接合する際に、接合部材を構成する金属が拡散してオーミック電極に到達するのを防止する。【解決手段】半導体層、半導体層にオーミック接触したオーミック電極、および、前記オーミック電極の表面に配置されたパッド電極を含む半導体発光素子と、配線電極が形成された基板と、パッド電極と配線電極とを接合する接合部材とを有する。接合部材は、２以上の金属を含む。パッド電極は、２以上の金属のうちの少なくとも第１の金属の拡散を妨げる材料により構成された２層のブロック層と、２層のブロック層の間に挟まれた中間層との積層体を含む。中間層は、第１の金属と合金を構成する材料によって構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子をＡｕＳｎ等の接合部材により基板に接合された半導体発光装置に関する。

従来、同一面上にｐ電極とｎ電極の両方が形成された半導体発光素子を、サブマウント側の電極に対して、ＡｕＳｎ等の接合部材を用いて、フリップチップ実装により接合する技術が知られている。特許文献１には、ＡｌＧａＮ層の上にｐ電極とｎ電極が形成された半導体発光素子の構造の一例が開示されている。特許文献１では、耐湿性を向上させるために、電極とＡｌＧａＮ層の接触領域を取り囲むように耐湿性のある保護層を配置している。

また、特許文献２では、上面電極と裏面電極を備えた電力用半導体素子の裏面電極を、ＡｕＳｎ等の接合部材を介して放熱体に固定した構造の装置において、Ｓｎが溶出して半導体素子の裏面全面に多孔性領域を形成し、熱伝導を阻害するため、半導体素子が加熱されて短時間で不良になるという問題を解決する構造を提案している。すなわち、裏面電極が半導体基板側から、チタン層、ニッケル層、金又は銀の層を順次積層した構造とし、これらの３層の膜厚を調整しておくことにより、Ｓｎが半導体素子へ侵入するのを防止するというものである。

特許第６３３１２０４公報特開２００３－３４７４８７号公報

ＡｕＳｎを接合部材として、フリップチップ実装によりサブマウントと接合した半導体発光素子においては、かかる接合の際に、オーミック電極中にＡｕＳｎ接合部材のＳｎが拡散する場合がある。Ｓｎが拡散したオーミック電極は、局所的に接触抵抗が上昇する箇所が発生するため、通電した際に接触抵抗が低い部位に電流が集中して流れ込んでジュール熱を発し、その箇所のオーミック電極が破壊される。

特許文献２では、Ｎｉ層をＳｎの侵入を防ぐブロック層として挿入しているが、ブロック層として機能させるためには、特許文献２に記載されているように、ニッケル層の厚みを０．４～２μｍの厚膜に設定する必要がある。

しかしながら、Ｎｉ層は、膜応力が大きく、その応力は、収縮応力であるため、Ｎｉ層自身とその下に配置されている電極層を、半導体素子から引き剥がす方向に作用し、膜剥がれを生じさせることがある。

本発明の目的は、合金を接合部材として、半導体発光素子を基板に接合する際に、接合部材を構成する金属が拡散してオーミック電極に到達するのを防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体発光装置は、半導体層、半導体層にオーミック接触したオーミック電極、および、前記オーミック電極の表面に配置されたパッド電極を含む半導体発光素子と、配線電極が形成された基板と、パッド電極と配線電極とを接合する接合部材とを有する。接合部材は、２以上の金属を含む。パッド電極は、２以上の金属のうちの少なくとも第１の金属の拡散を妨げる材料により構成された２層のブロック層と、２層のブロック層の間に挟まれた中間層との積層体を含む。中間層は、第１の金属と合金を構成する材料によって構成されている。

本発明によれば、半導体発光素子を基板に接合する際に、接合部材に含まれる金属が拡散しても、ブロック層がその拡散を妨げ、さらに中間層が拡散した金属と合金を構成することによってさらなる拡散を抑制するため、オーミック電極への到達し、不具合を生じるのを防止できる。

本発明の実施形態１の半導体発光装置の断面図。実施形態２の半導体発光装置の断面図。実施形態３の半導体発光装置の断面図。実施形態４の半導体発光装置の断面図。

本発明の一実施形態の半導体発光装置について図面を用いて以下に説明する。

＜＜実施形態１＞＞
実施形態１として、図１の半導体発光装置について説明する。

（構造）
実施形態１の半導体発光装置は、図１にその断面図を示したように、半導体発光素子１と、サブマウント基板３とを、接合部材２により接合した構造である。

半導体発光素子１は、基板７０と、半導体層１０と、半導体層１０にオーミック接触したオーミック電極１１、２１と、オーミック電極１１、２１の表面にそれぞれ配置されたパッド電極４、５を含む。半導体層１０は、オーミック電極１１に接している領域と、オーミック電極２１に接している領域とで半導体型が異なる。ここでは、一例としてオーミック電極１１が接している半導体層１０の領域は、ｐ型半導体であり、オーミック電極２１が接している半導体層１０の領域は、ｎ型半導体である。

サブマウント３は、サブマウント基板３２の上に、配線電極３１、３３を形成した構成である。

パッド電極４、５は、接合部材２により、それぞれサブマウント基板３上の配線電極３１、３３に接続されている。

接合部材２は、半導体発光素子１のパッド電極４、５と、サブマウント３の配線電極３１、３３とをそれぞれ接合している。接合部材２は、２以上の金属（第1の金属および第２の金属）を含む低融点はんだまたは共晶はんだを用いることができる。ここでは、一例として、ＡｕＳｎを接合部材２として用いる。

パッド電極４は、接合部材２に含まれる２以上の金属のうちの少なくとも第１の金属（例えばＳｎ）の拡散を妨げる材料により構成された２層のブロック層１２，１４と、２層のブロック層１２，１４の間に挟まれた中間層１３との積層体を含んでいる。

ブロック層１２、１４は、Ni、Pt、TiおよびWのうちの少なくとも１種類を含むものを用いることができる。

中間層１３は、第１の金属（例えばＳｎ）と合金を構成する材料によって構成されている。例えば、中間層１３は、接合部材２に含まれる第１の金属と金属間化合物を構成する材料（例えばＡｕ）を含むことが好ましい。

接合部材２が、第１の金属と第２の金属との合金である場合、中間層１３を構成する材料と第１の金属との合金の融点が、接合部材２の合金の融点より高くなるように、中間層１３を構成する材料を選択することが望ましい。例えば、接合部材２が第１の金属と第２の金属との合金である場合、中間層１３を第２の金属によって構成する。

具体的には例えば、接合部材２がＡｕＳｎからなる場合、中間層１３としては、Ａｕを含む層（例えば、Ａｕ層）を用いる。また、ブロック層１２，１４は、Ｎｉを含む層（例えば、Ｎｉ層）を用いる。

このような構造にすることにより、本実施形態の半導体発光装置の製造時において、半導体発光素子１のパッド電極４とサブマウント３の配線電極３１とを接合部材２によって接合する工程において、接合部材２を加熱して溶融しても、接合部材２の第１の金属の拡散は、ブロック層１２，１４と中間層１３により抑制される。

具体的には、加熱された接合部材２から拡散した第１の金属は、ブロック層１４によってその拡散が抑制されるが、一部の第1の金属がブロック層１４を通過した場合であっても、中間層１３において、中間層１３を構成する金属と合金を構成することにより、さらなる拡散が抑制される。

すなわち、拡散により中間層１３に到達した第1の金属は、中間層１３を構成する金属と合金を構成することにより、接合部材２とは異なる合金組成となり、その融点は、接合部材２の融点よりも高いため、接合部材２が液相で存在する接合時の温度では液相では存在できず、固相に変化する。よって、第1の金属のさらなる拡散を抑制することができる。

ブロック層１２は、中間層１３に到達した第１の金属がオーミック電極１１に拡散するのをさらに抑制する。

このように、本実施形態の半導体発光装置は、ブロック層１４から漏れでた第１の金属がオーミック電極１１に到達して拡散するのを防ぐことができる。

また、パッド電極４の最表面層（素子側配線電極）１５は、接合部材２と接するため、接合部材２に対して接着力の高い材料で構成されていることが望ましい。例えば、接合部材２がＡｕＳｎからなる場合、最表面層１５としてはＡｕ層を配置する。

ブロック層１２，１４（例えばＮｉ層）と中間層１３（例えば、Ａｕ層）との間には、それぞれＴｉ層が接着層として配置されていることが望ましい。

また、パッド電極４は、複数層の中間層１３を含んでいてもよい。その場合、パッド電極４は、ブロック層と、中間層とを交互に複数組積層した構造にすればよい。

つぎに、ｎ型半導体に接するオーミック電極２１に積層されているパッド電極５について説明する。

パッド電極５は、パッド電極４と同様の構成であり、２層のブロック層２２，２４と、その間に挟まれるように配置された中間層２３と、最表面層（素子側配線電極）２５を備えている。これらの各層の作用および材質は、パッド電極４のブロック層１２，１４と、中間層１３と、最表面層１５と同様である。

パッド電極５は、接合部材２により、サブマウント３の配線電極３３と接続されている。

製造時に、パッド電極５を接合部材２により配線電極３３と接合する工程では、接合部材２から拡散した第1の金属は、ブロック層２４によりその拡散が抑制され、中間層２３において中間層２３を構成する金属と合金を構成し、その拡散がさらに抑制される。中間層２３を通過した第1の金属があった場合には、ブロック層２２によって、その拡散がさらに抑制される。

（製造方法）
本実施形態の半導体発光装置の製造方法を簡単に説明する。半導体発光素子の半導体層１０上に、オーミック電極１１，２１を形成し、それらの上に上述したブロック層１２，１４，２２，２４（例えばＮｉ層）の間に中間層１３，２３を挟んだ構造のパッド電極４，５を形成しておく。

サブマウント３には、配線電極３１，３３を形成し、その上に接合部材２を配置しておく。

半導体発光素子１とサブマウント３をそれぞれ、供給トレーからピックアップし、それぞれに設けておいたアライメントマークが一致する様にカメラ認識等により位置合わせし、サブマウント３の配線電極３１，３３上の接合部材２に、パッド電極４，５がそれぞれ接するように半導体発光素子１を搭載する。

その後、所定の負荷荷重をかけた状態で、半導体発光素子１とサブマウント３を加熱し、接合部材２を所定の時間溶融させる。

この加熱工程において、溶融した接合部材２の第１の金属（例えばＳｎ）がパッド電極４、５に拡散するが、上述したように、ブロック層１４，２４によりその拡散が抑制される。拡散した第１の金属は、中間層１３、２３において、中間層２３を構成する金属（例えば第２の金属）と合金を構成し、その拡散がさらに抑制される。中間層１３、２３を通過した第1の金属があった場合には、ブロック層１２、２２によって、その拡散がさらに抑制される。

なお、接合部材２の溶融時は、接合部材２が酸化しない様に、雰囲気中の酸素が低減した状態に保つことが好ましい。

所定の時間、加圧・加熱接合した後、冷却工程を経て、フリップチップ型の半導体発光装置が製造される。

上述してきたように、本実施形態の半導体発光装置は、その製造工程において、接合部材２を融点よりも高温の温度に加熱しても、電極パッド４，５が接合部材２の第１の金属の拡散を抑制するため、オーミック電極１１、２１まで第１の金属が到達するのを防止できる。よって、オーミック電極１１、２１において、金属の拡散により局所的に接触抵抗が上昇することがないため、接触抵抗の低い部位に電流が集中する現象も発生せず、オーミック電極が破壊される等の不良の発生を抑制できる。

上述してきた図１の半導体発光装置は、半導体発光素子１をサブマウント基板３に接合部材２によってフリップチップ実装した構成であるが、本実施形態は、フリップチップ実装に限られるものではなく、一つの半導体型のオーミック電極のみがサブマウント基板に接合部材で接合される構造に適用することもちろん可能である。

＜＜実施形態２＞＞
次に、実施形態２の半導体発光装置について、図２を用いて説明する。

実施形態２の半導体発光装置は、実施形態１同様のブロック層と中間層とを含むパッド電極４，５を備える。このとき、ブロック層としてＮｉ層を含むものを用いた場合、Ｎｉ層は膜応力が大きく、その応力は収縮応力であるために、Ｎｉ層自身とその下に配置されているオーミック電極１１，２１等を、半導体層１０から引き剥がす向きに作用する。また、接合部材２によりサブマウント３と半導体発光素子１とを接合する加熱工程において、Ｎｉ層の収縮力に加えて、熱応力が加わり、膜剥がれを生じさせやすい。そこで、実施形態２では、パッド電極４，５の周囲が絶縁層６１，６２，６３によって覆われた構成にすることにより、パッド電極４，５の膜剥がれを防止する。

図２は、実施形態２の半導体発光装置の断面図である。

図２の半導体発光装置において、図１の半導体発光装置と同様の構成については、説明を省略し、異なる構成について以下詳しく説明する。

パッド電極４、５は、オーミック電極１１，２１の上に配置された第１パッド４ａ、５ａと、その上に積層された第２パッド４ｂ、５ｂを含む。

第１パッド４ａ，５ａは、例えば、オーミック電極１１，２１側から順に、（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ）／（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ）の層を順に積層した構成を含む。これらの層のうち、Ｎｉ層は、実施形態１で説明したブロック層１２，１４または２２、２４である。Ａｕ層は、中間層１３、２３である。Ｔｉ層は、Ａｕ層とＮｉ層の接着層である。

第２パッド４ｂ、５ｂは、例えば、オーミック電極１１，２１に近い側から順に（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ）の層を順に積層した構成を１以上含む。これらの層のうちＮｉ層は、実施形態１で説明したブロック層１４または２４である。最表面のＡｕ層は、素子側配線電極１５である。Ｔｉ層は、Ａｕ層とＮｉ層の接着層である。

ブロック層１２、１４または２２，２４と、中間層１３，２３の機能については、実施形態１と同様であるので説明を省略する。

第１パッド４ａ，５ａ中の複数のブロック層１２，１４または２２，２４の膜厚は、合計５００ｎｍ以上であることが望ましい。例えば、ブロック層１２を３４０ｎｍ、ブロック層１４を１７０ｎｍとする。

第２パッド４ｂ、５ｂのブロック層（Ｎｉ）は、例えば３４０ｎｍとする。

ブロック層１２，１４または２２，２４は、Ｎｉに限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ、の少なくとも１種類を含むものを用いることができる。

中間層であるＡｕ層の膜厚は例えば２７５ｎｍにする。

オーミック電極１１の周囲には端面を覆うように、絶縁層６１が配置されている。絶縁層６１の端部は、第１パッド４ａとオーミック電極１１との界面に挿入されている。

第１パッド４ａの周囲の端面とオーミック電極１１の絶縁層６１で覆われた周囲には、それらを覆うように、絶縁層６２が配置されている。絶縁層６２の端部は、第１パッド４ａと第２パッド４ｂとの界面に挿入されている。

同様に、第１パッド５ａとオーミック電極２１の周囲の端面には、それらを覆うように、絶縁層６２が配置されている。絶縁層６２の端部は、第１パッド５ａと第２パッド５ｂとの界面に挿入されている。

第２パッド４ｂ、５ｂおよび素子側配線電極１５，２５の周囲の端面には、それら覆うように絶縁層６３がそれぞれ配置されている。絶縁層６３の端部は、素子側配線電極１５，２５の表面（サブマウント３に対向する面）の周縁部をそれぞれ覆っている。

絶縁層６１～６３としては、ＳｉＯ_２層またはＳｉ_３Ｎ_４層を用いる。その膜厚は、１００ｎｍ～１０００ｎｍであることが望ましい。

このように、オーミック電極１１，２１、第１パッド４ａ、５ａ、第２パッド４ｂ、５ｂおよび素子側配線電極１５，２５の周囲の端面は、絶縁層６１～６３によって覆されているため、第１パッド４ａ，５ａおよび第２パッド４ｂ、５ｂ内のＮｉ層（ブロック層）に収縮応力が生じても、第１パッド４ａ，５ａおよび第２パッド４ｂ、５ｂがオーミック電極１１，２１または半導体層１０から剥がれるのを防止できる。

さらに、絶縁層６１～６２の端部を、オーミック電極１１と第１パッド４ａとの界面、第１パッド４ａ、５ａと第２パッド４ｂ，５ｂとの界面に挿入し、絶縁層６３の端部を、素子側配線電極１５，２５の表面周縁部に配置したことにより、オーミック電極１１と、第１パッド４ａ、５ａ、第２パッド４ｂ、５ｂの周縁部は、絶縁層６１～６３によって半導体層１０側に押し付けられる。よって、第１パッド４ａ，５ａおよび第２パッド４ｂ、５ｂ内のＮｉ層（ブロック層）の収縮応力と、熱応力により、半導体層１０からはがれる方向の力が作用しても、周縁部を絶縁層６１～６３によって抑え、膜剥がれをより効果的に防ぐことができる。

本実施形態２の層構造の半導体発光装置を、接合部材２としてＡｕＳｎ（Ａｕ７０ｗｔ％、Ｓｎ３０ｗｔ％）を用いて、実施形態１で説明した製造工程により製造し、Ｓｎの拡散濃度を計測する実験を行った。接合部材２の膜厚は、２μｍ以上（３±１μｍ）、接合工程の加熱温度３３５℃、加熱時間３０秒とした。

その結果、第１パッド４ａ、５ａの中間層であるＡｕ層の表層部（接合部材２に近い側）では、Ａｕが拡散したＳｎと反応し、ＳｎとＡｕとの金属間化合物が形成されていた。Ａｕ層の厚さ方向にオーミック電極１１に近づくに従って、Ｓｎ濃度は、表層部の半分程度まで減少し、ＡｕＳｎ組成変化に伴うＳｎ拡散抑制効果が確認できた。

この実験により、拡散をＡｕ層で抑制する為には、約５００ｎｍ以上の膜厚でＡｕ層を形成すれば良いことがわかった。

＜＜実施形態３＞＞
実施形態３の半導体発光装置について図３を用いて説明する。

図３は、半導体発光装置の半導体発光素子の断面図である。図３の半導体発光素子は、実施形態２の半導体発光素子１と同様の構成であるが、絶縁層６３を備えていない。

図３のように絶縁層６１、６２のみを備える構成であっても、第１パッド４ａの膜剥がれを抑制できるため、一定の膜剥がれ抑制効果を得られる。

他の構成および作用効果は、第２の実施形態と同様であるので説明を省略する。

＜＜実施形態４＞＞
実施形態４の半導体発光装置について図４を用いて説明する。

図４は、半導体発光装置の半導体発光素子の断面図である。図４の半導体発光素子は、オーミック電極１１、第１パッド４ａ、第２パッド４ｂおよび素子側配線電極１５の周囲の端面を絶縁層６５により一体に覆っている。絶縁層６５の端部は、素子側配線電極１５の表面の周縁部を覆っている。

図４のように１枚の絶縁層６５のみでも、第１パッド４ａ、第２パッド４ｂ等の膜剥がれを抑制できる。

１…半導体発光素子、２…接合部材、３…サブマウント基板、４、５…パッド電極、１０…半導体層、１１，２１…オーミック電極、１２，１４、２２，２４…ブロック層、１３、２３…中間層

Claims

半導体層、前記半導体層にオーミック接触したオーミック電極、および、前記オーミック電極の表面に配置されたパッド電極を含む半導体発光素子と、配線電極が形成された基板と、前記パッド電極と前記配線電極とを接合する接合部材とを有し、
前記接合部材は、２以上の金属を含み、
前記パッド電極は、２以上の前記金属のうちの少なくとも第１の金属の拡散を妨げる材料により構成された２層のブロック層と、前記２層のブロック層の間に挟まれた中間層との積層体を含み、
前記中間層は、前記第１の金属と合金を構成する材料によって構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記中間層の材料と前記第１の金属との前記合金は、金属間化合物であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１または２に記載の半導体発光装置であって、前記接合部材は、前記第１の金属と第２の金属との合金であり、
前記中間層を構成する材料と前記第１の金属との合金の融点は、前記接合部材の合金の融点よりも高いことを特徴とする半導体発光装置。
請求項３に記載の半導体発光装置であって、前記中間層は、前記第２の金属によって構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体発光装置であって、前記パッド電極は、前記オーミック電極側から順に、前記ブロック層と前記中間層とを１組以上繰り返し積層した第１パッドと、少なくとも１層の前記ブロック層を含む第２パッドとを含むことを特徴とする半導体発光装置。
請求項５に記載の半導体発光装置であって、少なくとも前記第１パッドの周囲の端面は、絶縁層によって覆われていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項６に記載の半導体発光装置であって、前記絶縁層は、前記第１パッドと前記オーミック電極との界面の周縁部、および、前記第１パッドと前記第２パッドとの界面の周縁部にも挿入されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項６に記載の半導体発光装置であって、前記オーミック電極と、前記第１パッドと、前記第２パッドの端面全体が前記絶縁層により一体に覆われていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体発光装置であって、前記パッド電極は、前記ブロック層と、前記中間層とを交互に複数組積層した構造であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の半導体発光装置であって、前記接合部材は、ＡｕＳｎからなり、
前記中間層は、Ａｕを含む層であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１０に記載の半導体発光装置であって、前記ブロック層は、Ｎｉを含む層であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１０または１１に記載の半導体発光装置であって、前記接合部材と前記ブロック層との間、および、前記ブロック層と前記中間層との間には、それぞれＴｉ層が配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項６または７に記載の半導体発光装置であって、前記絶縁層は、ＳｉＯ_２層またはＳｉ_３Ｎ_４層であることを特徴とする半導体発光装置。