JP4011257B2

JP4011257B2 - 発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP4011257B2
Application number: JP2000058542A
Authority: JP
Inventors: 清久太田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: JP2001250983A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子およびその製造方法、ならびに発光素子の実装構造に関し、特に、Ｓｎ−Ｐｂハンダによって接続が可能な発光素子およびその製造方法、ならびにＳｎ−Ｐｂハンダによって発光素子が接続された実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
接合されたｐ型半導体結晶およびｎ型半導体結晶のそれぞれに正電極および負電極が付与された構造を有する発光素子は、ハンダを介して電気配線基板に実装することができる。そして、電極に対しハンダ付可能な発光素子は、通常、Ｉｎ−Ｐｂハンダ（Ｉｎ：Ｐｂ＝５０：５０〜２０：８０）を用いて配線に接続されている。Ｉｎ−Ｐｂハンダは、発光素子電極との反応性が低く、電気的接続に使用しても発光素子の性能に影響を与えないからである。
【０００３】
一方、Ｓｎ−Ｐｂハンダは、従来、発光素子の接続に用いられてこなかった。Ｓｎ−Ｐｂハンダは、発光素子電極との反応性が高く、ハンダ付けに際して電極をその中に溶解させ、電極構造を消失させてしまうおそれがあったためである。しかしながら、従来使用されてきたＩｎ−Ｐｂハンダは、Ｓｎ−Ｐｂハンダに比べて高価であり、ハンダ付けのコストを押上げている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、Ｓｎ−Ｐｂハンダによって接続し得る発光素子およびその製造方法を提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、ハンダ付けのコストを引き下げることができる、発光素子およびその製造方法、ならびに発光素子の実装構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、発光素子の電極を厚くすることで、Ｓｎ−Ｐｂハンダを接続に用いても電極構造を維持できることを見出した。ただし、発光素子の電極形成に一般的に用いられているスパッタ法や蒸着層では、そのような厚い電極の形成は困難である。本発明者は、メッキによる電極形成法を採用することにより、この課題を解決し、本発明を完成させるに至った。メッキでは、数１００ｎｍから数万ｎｍの厚みの形成が可能であり、本発明では、厚さ１０００ｎｍ〜３０００ｎｍのＮｉ層またはＮｉ合金層を電極の一部として形成することで、Ｓｎ−Ｐｂハンダでも接続が可能な電極構造を提供している。すなわち、十分な厚さ１０００ｎｍ〜３０００ｎｍのＮｉ層またはＮｉ合金層はＳｎ−Ｐｂハンダを用いてもそのはんだ融液に食われきってしまうことがなく、安価なＳｎ−Ｐｂハンダを用いたはんだ付けが可能となる。
【０００７】
本発明により提供される発光素子は、ｐ型半導体、ｐ型半導体に接合するｎ型半導体、ｐ型半導体上に形成される正電極、およびｎ型半導体上に形成される負電極を備え、該正電極および該負電極がそれぞれ、ｐ型半導体またはｎ型半導体にオーミック接触するＡｕ合金からなる第１の金属層、第１の金属層上にバリア金属層を介して形成され、ＮｉまたはＮｉ合金からなりかつはんだ接合時にＳｎ−Ｐｂ合金はんだによって食われきらない１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを有する第２の金属層、および第２の金属層上に形成され、ＡｕまたはＡｕ合金からなりかつ４０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有する第３の金属層を含み、バリア金属層は半導体からの成分の拡散を防止するためにモリブデンおよびタングステンよりなる群から選ばれた少なくとも１つの金属からなることを特徴とする。
【０００８】
また本発明において、正電極および負電極は、ｐ型半導体の表面およびｎ型半導体の表面の一部にそれぞれ形成することができ、それにより、正電極および負電極がそれぞれ形成されている半導体の面は、部分的に露出させることができる。
【０００９】
本発明により提供される発光素子の実装構造は、上記発光素子、および上記発光素子が装着される電気配線基板を備え、上記発光素子は、電気配線基板にＳｎ−Ｐｂ合金ハンダを介して電気的に接続されている。この実装構造において、電気配線基板に対しｐｎ接合面が略垂直になるよう、発光素子を横置きにして電気配線基板に装着することができる。
【００１０】
本発明により、ｐ型半導体、ｐ型半導体に接合するｎ型半導体、ｐ型半導体上に形成される正電極、およびｎ型半導体上に形成される負電極を備える発光素子の製造方法が提供され、該製造方法は、接合されたｎ型半導体およびｐ型半導体のそれぞれ上にオーミック接触するＡｕ合金からなる第１の金属層を形成する工程、１の金属層上に半導体からの成分の拡散を防止するためにモリブデンおよびタングステンよりなる群から選ばれた少なくとも１つの金属からなるバリア金属層を形成する工程、バリア金属層上に、ＮｉまたはＮｉ合金からなりかつはんだ接合時にＳｎ−Ｐｂ合金はんだによって食われきらない１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを有する第２の金属層をメッキにより形成する工程、および第２の金属層上に、ＡｕまたはＡｕ合金からなる第３の金属層をメッキにより形成する工程を備える。
【００１１】
本発明による製造方法において、メッキすべき面は、希釈したフッ化水素酸により処理することが好ましい。本発明の好ましい態様において、メッキは電解メッキである。また、第３の金属層をメッキにより形成する工程の後に熱処理を行わないことが好ましい。
【００１２】
本発明による製造方法では、半導体ウェハ上に上記工程に従って複数の前記発光素子を形成した後、ダイシングにより半導体ウェハを切断して、電極面が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ×０．１ｍｍ〜０．３ｍｍのサイズである発光素子を得ることができる。ダイシングにより得られる素子の側面は、平坦なものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明をより詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明に関連する製造方法の参考例を示している。図１（ａ）に示すように、ｐｎ接合体１０において、ｎ型半導体１１上にオーミックメタル層１３が形成される。ｐｎ接合体は、通常、ｎ型半導体基板上にｐ型半導体層が形成された構造を有する。ｎ型半導体には、たとえばＧａＰ（ｎ型）が使用され、ｐ型半導体には、たとえばＧａＰ（ｐ型）が使用される。オーミックメタル層１３は、たとえばＡｕＳｉ層とＡｕ層との積層体とされる。オーミックメタル層１３の厚みは、たとえば３００〜６００ｎｍの範囲であり、より具体的に４５０ｎｍ程度が好ましい。次いで、図１（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層上にもオーミックメタル層１４を形成する。オーミックメタル層１４は、たとえばＡｕＢｅ層であり、その厚みは、たとえば１００〜４００ｎｍの範囲であり、より具体的に２００ｎｍ程度が好ましい。これらのオーミックメタル層は、たとえばスパッタリング、蒸着等により形成される。次に、好ましくは、図２（ａ）に示すように、オーミックメタル層で被覆された半導体基板２０を、希釈されたフッ化水素酸２１に接触させ、オーミックメタル層の表面処理を行う。希フッ化水素酸におけるフッ化水素濃度は、たとえば３〜２０％である。希フッ化水素酸によって表面の酸化膜を除去することができ、次工程で形成されるメッキ層の密着性を高めることができる。また、メッキの下地がＡｕ合金などのＡｕを含む層の場合、好ましくは、図２（ｂ）に示すように、オーミックメタル層で被覆された半導体基板２０を、ヨウ化アンモニウム水溶液２２（たとえばヨウ化アンモニウム１重量部に対し脱イオン水７重量部の溶液）に接触させ、オーミックメタル層の表面処理を行う。これにより、Ａｕを含むオーミックメタル層がわずかにエッチングされ、表面に凹凸ができるため、次工程で形成されるメッキ層の密着性を高めることができる。好ましくは、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、希フッ化水素酸による処理の後、ヨウ化アンモニウム水溶液による処理を行う。
【００１４】
次いで、図１（ｃ）に示すように、メッキにより、オーミックメタル層１３上にＮｉまたはＮｉ合金からなるメッキ層１５を形成する。メッキ層１５の厚みは、１０００〜３０００ｎｍであり、好ましくは２０００ｎｍである。Ｎｉ合金には、Ｎｉ−Ａｕ合金等がある。メッキは、電解メッキおよび無電解メッキを含むが、特に電解メッキ（電気メッキ）が好ましい。電解メッキにおいて、たとえば、メッキ液は、スルファミン酸ニッケルおよび硼酸を含有するものであり、メッキ温度は、５０±１０℃である。さらに、図１（ｃ）に示すように、メッキ層１５上にＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層１６を形成する。メッキ層１６の厚みは、４０〜３００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍである。メッキ層１６も電解メッキまたは無電解メッキによって形成されるが、特に電解メッキが好ましい。電解メッキにおいて、たとえば、メッキ液は、Ａｕを含有するものであり、メッキ温度は、６０±１０℃である。次いで、図１（ｄ）に示すように、オーミックメタル層１４上にＮｉまたはＮｉ合金からなるメッキ層１７を形成する。メッキ層１７の厚みは、１０００〜３０００ｎｍであり、好ましくは２０００ｎｍである。メッキ層１７も好ましくは電解メッキによりメッキ層１５と同様の条件で形成する。さらにメッキ層１７上にＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層１８を形成する。メッキ層１８の厚みは、４０〜３００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍである。メッキ層１８も好ましくは電解メッキによりメッキ層１６と同様の条件で形成する。
【００１５】
Ａｕを含むメッキ層１６または１８を形成した後は、好ましくは熱処理を行わない。熱処理を行うと、Ｎｉがその上のＡｕの表面まで拡散し、Ａｕ表面に酸化膜を形成し得る。熱処理を行わないことによりＮｉの拡散を無くし、酸化膜の形成を防止する。
【００１６】
上述したように、本発明に関連する参考例においてＮｉを含むメッキ層の厚みは１０００〜３０００ｎｍである。１０００ｎｍ以上の厚いＮｉメッキ層で電極を構成することにより、Ｓｎ−Ｐｂ合金ハンダを接続に使用しても、電極が溶融ハンダに溶け込んで食われきってしまうことがない。一方、Ｎｉメッキ層の厚みが３０００ｎｍを超えると、当該メッキ層からウェハにかかる応力が大きくなり、ウェハ割れが発生しやすくなる。また、Ａｕを含むメッキ層の厚みは４０〜３００ｎｍである。Ａｕメッキ層は、Ｎｉ表面の酸化を防ぐために形成するもので、４０ｎｍ以上の厚みであればその役割を十分に果たす。一方、Ａｕメッキ層の厚みが３００ｎｍを超えると、後に行われるダイシングでのブレードの目詰まりの原因となる。
【００１７】
図１（ｅ）に示すように、メッキ層を形成した基板を粘着シート１９に貼り付けてフルダイシングを行う。粘着シート１９として、たとえばＵＣ１００Ｍ（古河電工社製）を用いる。ダイシングのピッチは、得られる素子のサイズが０．１〜０．３ｍｍ×０．１〜０．３ｍｍとなるよう設定する。たとえばダイシングブレードとしてディスコ社製ＮＢＣ−ＺＢ２０５０（厚み０．０２ｍｍ）を用いる場合、ダイシングの切りしろ（ダイシング溝２０の幅）は約０．０３ｍｍとなるので、ダイシングピッチは０．１３〜０．３３ｍｍに設定する。このようにして所望の発光素子が得られる。ダイシング加工を採用することで結晶材料のロスを少なくすることができ、方法も簡便になる。また、ダイシングによって得られる切断面は平坦であり、得られた素子を横に倒した後、チップテスト時や配線基板へのチップ搭載時に、切断面をコレットで吸着することができる。平坦な切断面（側面）は、素子を横置きにしてプリント配線基板上に安定に載置することを可能にする。
【００１８】
図３（ａ）〜（ｆ）に本発明による製造方法の一例を示す。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ｐｎ接合体１０において、ｎ型半導体１１上にオーミックメタル層１３、ｐ型半導体１２にオーミックメタル層１４をそれぞれ形成する。この方法が図１に示す方法と異なる点は、図３（ｃ）に示すように、オーミックメタル層１４上にバリアメタル層３１を形成することである。バリアメタル層３１は、たとえばＭｏまたはＷからなる。バリアメタル層３１の厚みは、たとえば２００〜４００ｎｍであり、好ましくは２５０〜３５０ｎｍである。バリアメタル層３１は、たとえば、Ｍｏにより形成される。メッキの下地としてバリアメタルを形成することによって、そのバリアメタルより下側にある元素が上側（メッキすべき表面）に出でくることを防止できる。たとえば、ウェハ結晶としてＧａＡｓを用いる場合、Ｇａは拡散によりオーミックメタルの表面に出やすいが、その後、バリアメタルによって拡散は遮断される。バリアメタル層を形成した後、図１の方法と同様に、図３（ｄ）〜（ｆ）に示すとおり、メッキ層１５、１６、１７および１８を形成し、ダイシングを行って素子を得る。
【００１９】
図４は、発光素子のサイズを示している。直方体である発光素子４０において、電極面４１のサイズは、０．１〜０．３ｍｍ×０．１〜０．３ｍｍである。また、厚みｔは、たとえば０．２８〜０．３ｍｍである。
【００２０】
図５に図１の方法により得られる素子の構造を示す。発光素子５０において、ｐｎ接合を有する半導体結晶５０の正電極５１として、ＡｕＢｅ合金からなるオーミックコンタクト層１４、ＮｉまたはＮｉ合金からなるメッキ層１７およびＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層１８が設けられ、負電極５２としてＡｕＳｉ＋Ａｕからなるオーミックコンタクト層１３、ＮｉまたはＮｉ合金からなるメッキ層１５およびＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層１６が設けられる。Ｎｉを含むメッキ層の厚みは１０００〜３０００ｎｍであり、Ａｕを含むメッキ層の厚みは４０〜３００ｎｍである。
【００２１】
図６に図３の方法により得られる素子の構造を示す。発光素子６０において、ｐｎ接合を有する半導体結晶６０の正電極６１として、ＡｕＢｅ合金からなるオーミックコンタクト層１４、Ｍｏからなるバリアメタル層３１、ＮｉまたはＮｉ合金からなるメッキ層１７およびＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層１８が設けられ、負電極６２としてＡｕＳｉ＋Ａｕからなるオーミックコンタクト層１３、ＮｉまたはＮｉ合金からなるメッキ層１５およびＡｕまたはＡｕ合金からなるメッキ層１６が設けられる。Ｎｉを含むメッキ層の厚みは１０００〜３０００ｎｍであり、Ａｕを含むメッキ層の厚みは４０〜３００ｎｍである。
【００２２】
図７に示すように、ｐｎ接合を有する半導体結晶７０の面７１上に、電極７２を部分的に形成してもよい。電極７２は、面７１の一部に形成され、面７１の他の部分は電極に覆われることなく露出している。このような部分的な電極の形成は、正極および負極のいずれかまたは両方について行うことができる。電極が形成される面について半導体結晶を露出させることにより、露出部分からも発光が得られ、光出力を高めることができる。
【００２３】
図８に本発明による発光素子の実装構造の一例を示す。発光素子８０の正電極８１および負電極８２はそれぞれ、電気配線基板９０の配線パターン９１にＳｎ−Ｐｂ合金ハンダ（たとえばＳｎ：Ｐｂ＝６０：４０）９２を介して接続されている。発光素子８０は、ｐｎ接合面８３が基板９０に垂直となるよう、横置きにされている。発光素子８０の基板９０に接する側面８４は、ダイシング時に形成された切削面である。側面８４は平坦であるため、接続時に基板上に載置される素子８０の安定性はよい。上記構造の電極は、Ｓｎ−Ｐｂハンダによって食われきってしまうことがないため、Ｓｎ−Ｐｂハンダにより低コストで接続を行うことができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上示してきたように、本発明による発光素子はＳｎ−Ｐｂハンダにより電気配線基板に接続できるため、ハンダ付けのコストを従来より低いものにすることができる。本発明による発光素子の製造方法は、メッキにより簡便に厚い電極層を形成でき、コストの抑制に寄与し得る。本発明による発光素子は、主にチップ部品型ＬＥＤとして有用であり、たとえば、携帯電話機のボタン照明等に利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連する製造方法の参考例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の製造方法においてウェハを希フッ化水素酸およびヨウ化アンモニウム水溶液で処理する工程を示す斜視図である。
【図３】本発明による製造方法の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明により得られる発光素子のサイズを示す斜視図である。
【図５】本発明に関連する発光素子の一例を示す概略断面図である。
【図６】本発明による発光素子の一例を示す概略断面図である。
【図７】本発明により電極を部分的に設けた発光素子の例を示す斜視図である。
【図８】本発明による発光素子の実装構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０ｐｎ接合体、１１ｎ型半導体、１２ｐ型半導体、１３，１４オーミックコンタクト層、１５，１６，１７，１８メッキ層。

Claims

ｐ型半導体、前記ｐ型半導体に接合するｎ型半導体、前記ｐ型半導体上に形成される正電極、および前記ｎ型半導体上に形成される負電極を備える発光素子において、
前記正電極および前記負電極がそれぞれ、前記ｐ型半導体または前記ｎ型半導体にオーミック接触するＡｕ合金からなる第１の金属層、前記第１の金属層上にバリア金属層を介して形成され、ＮｉまたはＮｉ合金からなりかつはんだ接合時にＳｎ−Ｐｂ合金はんだによって食われきらない１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを有する第２の金属層、および前記第２の金属層上に形成され、ＡｕまたはＡｕ合金からなりかつ４０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有する第３の金属層を含み、前記バリア金属層は前記半導体からの成分の拡散を防止するためにモリブデンおよびタングステンよりなる群から選ばれた少なくとも１つの金属からなることを特徴とする、発光素子。
前記正電極および前記負電極は、前記ｐ型半導体の表面および前記ｎ型半導体の表面の一部にそれぞれ形成されており、それにより、前記正電極および前記負電極がそれぞれ形成されている半導体の面は、部分的に露出していることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
請求項１または２に記載の発光素子、および前記発光素子が装着される電気配線基板を備え、
前記発光素子が前記電気配線基板にＳｎ−Ｐｂ合金ハンダを介して電気的に接続されている、発光素子の実装構造。
前記電気配線基板に対してｐｎ接合面が略垂直になるよう、前記発光素子が横置きにして前記電気配線基板に装着される、請求項３に記載の実装構造。
ｐ型半導体、前記ｐ型半導体に接合するｎ型半導体、前記ｐ型半導体上に形成される正電極、および前記ｎ型半導体上に形成される負電極を備える発光素子の製造方法であって、
接合されたｎ型半導体およびｐ型半導体のそれぞれ上にオーミック接触するＡｕ合金からなる第１の金属層を形成する工程、
前記第１の金属層上に前記半導体からの成分の拡散を防止するためにモリブデンおよびタングステンよりなる群から選ばれた少なくとも１つの金属からなるバリア金属層を形成する工程、
前記バリア金属層上に、ＮｉまたはＮｉ合金からなりかつはんだ接合時にＳｎ−Ｐｂ合金はんだによって食われきらない１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを有する第２の金属層をメッキにより形成する工程、および
前記第２の金属層上に、ＡｕまたはＡｕ合金からなる第３の金属層をメッキにより形成する工程
を備えることを特徴とする、発光素子の製造方法。
メッキすべき面を希釈したフッ化水素酸により処理する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。
前記メッキが電解メッキであることを特徴とする、請求項５または６に記載の製造方法。
第３の金属層をメッキにより形成する工程の後に熱処理を行わないことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の製造方法。
半導体ウェハ上に前記工程に従って複数の前記発光素子を形成した後、ダイシングにより前記半導体ウェハを切断して、電極面が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ×０．１ｍｍ〜０．３ｍｍのサイズである発光素子を得ることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか１項に記載の製造方法。