JP4118371B2 - Nitride semiconductor light emitting device having silver as electrode, method for manufacturing the same, and semiconductor optoelectronic device - Google Patents
Nitride semiconductor light emitting device having silver as electrode, method for manufacturing the same, and semiconductor optoelectronic device Download PDFInfo
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体を備えた電子装置に関し、特にp型窒化物半導体に銀を含む電極をそなえて光学特性と光電気特性を改善した光電子装置とその製造方法とに関する。
【0002】
本明細書において「窒化物半導体」とは「III族窒化物半導体」であり、「発光ダイオード」すなわち「LED」とはp−n接合部あるいは活性層を介挿したp−n接合部(以下「広義のp−n接合部」と称す)を有するものを含み、インコヒーレント光を出力する電子装置であり、「LED部材」とはこれをさらに加工してLEDとするため必ずしも半導体ではない単結晶基板上にひとつあるいは複数の半導体薄膜層を成長して形成したもので広義のp−n接合部を有する半導体多層膜構造体であり、「LEDチップ」とはLED部材であってp型領域とn型領域とがそれぞれの電極であるp電極とn電極とを有しこれら電極から電気的に駆動されるLED部材であり、LEDチップは単独であるいはウェーハに多数が集積されて存在し電極からボンディングワイヤをひきだしてもよいLED部材であり、「LED製品」とはLEDチップを有し、該LEDチップは広義のp−n接合部を駆動するための電気配線を有しリード・フレームや印刷基板、セラミック基板等(以下パッケージと総称する)の表面(ダイ・パッドと総称する)にダイ・ボンディングされている光電子装置であり、例えばLEDランプ、7素子表示装置等である。
【0003】
【従来の技術】
短波長発光装置の開発が活発におこなわれている。一般に波長が550nm以下である短波長光が効率的に発生できれば、長波長発光装置とともに用いてフルカラーディスプレイや白色光源が実現でき、本装置の応用機器の機能の拡充や消費エネルギーの低減などが期待されている。
これら短波長発光装置の多くはIII族窒化物半導体に基づいて組立られており、「III族窒化物半導体」にはGaN、AlN, InN, BN, AlInN, GaInN, AlGaN, BAlN, BInN, BGaN、BAlGaInN等が含まれる。特にGaNを筆頭に、GaInN, AlGaN, BGaN、BAlGaInN等のGaNを主成分とするIII族窒化物半導体を「GaN系半導体」と称する。
【0004】
短波長発光装置の一つであるLEDの例としてGaN系半導体に基づいて構成したLED(以下「GaN系LED」と称す)を図1を参照して説明する。以下において混同しないときは「薄膜層」を単に「層」とも称する。また各層は例えば特願平9−30204号において山田等が開示する図1の(A)ように複数の異なる組成の亜層からなるが本発明の理解に必要な範囲で図1の(B)の簡明な記載を選んで今後の説明をおこなう。
【0005】
図1の(A)においてGaN系LED21’はサファイア基板22’、AlNバッファ層23’、n型GaNコンタクト層24’、n型AlGaNクラッド層26’、ドープInGaN層28’、p型AlGaNクラッド層30'、p型GaNコンタクト層31’、蒸着金属33’、p電極32’、n電極25’からなっている。
図1の(A)においてGaN系LED21’は次の図1の(B)のひとつの実現形である。
【0006】
一方、図1の(B)においてGaN系LED1はサファイア基板2、n層3、一般には窒化物半導体の多重量子井戸層である活性層4、p層5、透明p電極6、ボンディング用p電極6a、n電極7からなるGaN系LEDチップ10を、パッケージ8のダイ・パッド8aにダイ・ボンディングして組立てられる。ボンディング用p電極6a、n電極7は一般にパッケージ8に備え付けられたリード線(図示せず)にボンディングワイヤ6b、7aで接続されている。ボンディングワイヤ6b、7a間に駆動電圧を印加してGaN系LED1に入力電流を流し、該入力電流により活性層4から出力光を発生させる。少なくともボンディング用p電極6aの表面部分とn電極7の表面部分とは回路接続用金属手段である。
【0007】
図1の(A)の発光ダイオード21’と図1の(B)のGaN系LED1間には下記の対応が成り立っている。
AlNバッファ層23’は本願発明の説明においてサファイア基板2に対応する1要素と解しても当業者が本願発明を実施するに特に支障はないが、本願発明の理解を容易にするため上記の対応を基礎に以下の明細書は記載されている。
【0008】
上記の構造を有するGaN系LED1では、したがって、(イ)できるだけ小さな駆動電力(=入力電流×駆動電圧)で、できるだけ多くの光を活性層4から発生させ、(ロ)活性層4で発生した光をなるべく多く出力光として外に取り出す、ことが重要である。
【0009】
できるだけ小さな駆動電力で、できるだけ多くの光を活性層4から発生させるため、多くの努力がはらわれた。p型窒化物半導体層の抵抗率はn型窒化物半導体層の抵抗率に比べかなり大きく、p型窒化物半導体層にp電極を形成するとn型窒化物半導体層にn電極を形成した場合に比べ金属−半導体接合により大きな接触電圧を生じ窒化物半導体素子の消費電力を増加させる主因となっていた。そのため、p電極は接触電圧を低下させるためn電極よりかなり広くなっている。
【0010】
上記接触電圧の低減のため、p電極としてp型窒化物半導体層上にパラジュームを蒸着する技術(特願平9−30204号)やp電極を形成する前のp型窒化物半導体層の清浄化技術(特願平9−48402号)やp型窒化物半導体層とp電極金属の間にV族置換型窒化物半導体層を挿入する技術(特願平9−5339号)などが開発された。
一方LEDではこの広い面積を有するp電極が活性層で発生した光の多くに遭遇するため、活性層で発生した光をなるべく多く出力光として外に取り出すのに好ましい光学的特性、すなわち透過率や反射率、を合わせ持つことが望まれる。
【0011】
図1の(B)において活性層4で発生した光は全方向に進行するが、そのうち、GaN系LED1の出力光として有効な光は透明p電極6から外部に放出される光である。したがって、透明p電極6は透過率が大きくなければならない。活性層4からパッケージ8側では光を反射して透明p電極6の方向にむける工夫がなされる。
【0012】
透明電極6としては厚さ数nmのニッケルと金の多層膜(例えばニッケル1nmに8nmの2層膜)が用いられ、その透過率は40〜50%程度である。また、この透明電極6は、薄すぎてボンディングには適さず、ボンディング部分にはさらに厚いボンディング用の電極6aが必要となる。ボンディング用の電極6aとしては、数100nmの厚みをもったニッケルと金の多層膜などがよく用いられ、その面積はボンディング作業の簡便性を確保するため最小でも一辺が80〜100μmの矩形程度の面積を必要とする。
【0013】
一方、n電極側にはその直下に活性層4がないため、光出力を透過させる工夫はされないのが一般的で、n電極7としてはチタンやアルミなどの多層膜がボンディング用電極として形成されている。これらのボンディング用電極はその厚みのために光を透過することができないので、ボンディング作業の簡便性を損なわない限りなるべく小さな面積になるように設計される。
【0014】
また、パッケージ8側に向った光は、パッケージ表面すなわちダイ・パッド8aに形成された反射手段によって反射される。例えば、良く用いられる反射手段としては、反射率が高い白色ダイ・パッド自体や、ダイ・パッドに設けた反射率の高いテープなどである。パッケージ自体を金属とし、その表面にアルミニュームなどをめっきして反射手段とすることもある。いずれの場合にも実装時の表面状態、実装までの保存状態などの影響を受けるが、その反射率は50〜80%である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来のLEDでは、活性層から発生した光が透明p電極側から出力されて外に取り出される場合、透明p電極側へ向った光はボンディング用電極やボンディングワイヤなどで反射、吸収されるだけでなく、透明p電極でもその50〜60%が反射、吸収される。
一方、パッケージ側に出力された光は、ダイ・パッドに設置された反射手段によって、その50〜80%が反射されるが、この反射光と直進光を合計しても活性層で発生した光の総量の半分程度しか出力光として取り出すことができない。
【0016】
外に取り出す出力光の強度すなわちLEDの発光強度を増加させるために、p電極の透過率をさらに高くしようとして薄くすると、透明p電極の面積抵抗が大きくなり、入力電流の広がりが制限される。そのためLEDの端子間電圧を上昇させざるをえず、結果的にLEDの発光効率を低下させてしまう。また、p電極は光の透過とボンディングという2つの機能を持たせるために、複雑な膜構造をとらざるをえない。さらに、パッケージ側へ出力した光を反射させるための手段が必要となるため、部品点数の増加、製造プロセスの複雑化につながり、ひいてはLEDのコストの上昇を招いている。
また、ボンディング用電極やボンディングワイヤなどで反射、吸収される光を有効に出力光とすることができることが望ましい。
さらに、p電極として他の光電子装置に広く応用できるすぐれた機械的、電気的、光学的特性、光電気特性あるいはそれらの協同的特性の改善されたp電極や装置構成が得られることが望ましい。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、抵抗率の低い銀すなわちAgをp電極の少なくとも一部分の第1層金属として用い電気的にすぐれた特性と光学的にすぐれた特性を有するp電極を安定に実現できる新規な技術に基づいている。
本発明の半導体光電子装置はp型窒化物半導体層を備える電子装置であって該p型窒化物半導体層に蒸着した銀層を備え、該銀層が電極として機能するとともに光の、限定的でないが特に短波長光の、透過層あるいは反射層として機能するようにしている。
その厚さを調整して該一部分を透過率の高い透明p電極としたり反射率の高い反射p電極としている。
【0018】
上記銀の機械的、電気的特性とを向上するため金属や誘電体の安定化層で銀層を覆うのが好ましい。
透過率をさらに改善するため透明誘電体の整合層で透明p電極の銀を覆ってもよい。
また、銀をIII族窒化物半導体に安定に被着させるため、所定の基板温度および蒸着速度が選ばれる。さらに銀の蒸着まえに所定の洗浄をおこなって被着した銀の安定性を高めてもよい。
【0019】
【実施例】
以下に窒化物半導体LEDの製造に関する本発明を理解するためGaN系LEDの製造に関する本発明の実施例を説明する。当業者は以下の実施例から他の窒化物半導体LEDを組立てる場合の知識をも得ることができる。また、透明p電極や反射p電極のLED以外の電子装置への応用の可能性についても見通しが立とう。
【0020】
図2は、p電極を構成する第1層金属として銀(Ag)層21を蒸着した本発明の第1の実施例のGaN系LED20の断面図である。図1のLED1におけると同様の機能、性能を発揮する部分には図1におけると同じ参照番号が付されている。銀層21には図1におけると同様にボンディング用の電極金属層21aがニッケル・金等で構成される。ボンディング用の電極金属層21aの少なくとも表面部分は金等の回路接続に適した回路接続用金属とする。
図2のLEDは、基板2と該基板上のn型窒化物半導体層3と、n型窒化物半導体層上の窒化物半導体からなる活性層4と、活性層上のp型窒化物半導体層5と、p型窒化物半導体層上の銀層21と、を備えたLED部材をパッケージ8にボンディングしたLEDの一実施形態として窒化物半導体としてGaN系半導体を選択したものである。また、各窒化物半導体層の主要部は周知のように必要な組成の層を必要な数だけ含む多層膜として形成されている。
【0021】
以下に図3の工程図を参照してLED20の組立プロセスを説明する。
まずCVD法などの従来の素子形成プロセス(例えば前記特願平9−30204号参照)を用いて、不透明基板を含む他の基板であってもよいサファイア基板2上に、n層3、活性層4とp層5を順次形成しLED部材を組立てた(工程31)。次いで該LED部材を他の金属であってもよいニッケルをマスクとしフォトリソグラフィ法でパターニングし、反応性イオンエッチングによって、該LED部材をn電極7を形成するn層3の一部分(図1の(A)ではn型GaN層24’の蒸着金属33’取り付け部分)まで掘り下げた(工程32)。その後、室温でマスクとして使用したニッケルをLED部材から王水で除去した(工程33)。
【0022】
ニッケルの除去に燐酸を用いたり、王水を室温より昇温して用いることも可能であるが王水を用いてニッケルを除去する方法は窒化物半導体表面の洗浄も兼ねておこなえるので好ましい。ニッケルの除去は数分で終了するがLED部材を王水に浸漬する時間は通常このような処理で採用される5分(特願平9−30204参照)よりかなり長い30分から1時間程度とした。30分より短くしてゆくとp層表面の清浄化効果が次第に失われ、後工程で該表面に蒸着された銀の安定性が失われることが判明したのでこの浸漬時間を30分からあまり短くすることは避けなければならない。
【0023】
その後サファイア基板2を900℃とし窒素雰囲気中で5分間LED部材の活性化を行った(工程34)。該活性化後LED部材を室温でふっ酸により10分間洗浄し(工程35)、p電極の第1層21を形成するためp層5の表面(図1の(A)のp型GaN層31’の表面に相当)の大部分に、Agを100nm蒸着した(工程36)。ふっ酸による表面清浄化は前記特願平9−48402号の開示が参考になる。
【0024】
次にp電極のボンディング用の電極金属層21aを形成するためニッケル300nmと金50nm程度を順次蒸着してパターニングし、第1回目のアニール(アニール1)をおこなった(工程37)。その後n電極7を形成するためのn型GaN部分に、Tiを10nm、Alを200nm順次蒸着してパターニングしLED部材をLEDチップとして形成し、第2回目のアニール(アニール2)をおこなった(工程38)アニールについては後述する。形成したLEDチップをパッケージ8のダイ・パッド8aに取り付け、ボンディングワイヤを配線して樹脂封じなどの処理をおこなってLED製品を完成させた(工程39)。n電極7は別の材料構成でもよいが、少なくとも表面部分は金等の回路接続のための回路接続用金属とする。
なお、アニール1を省略しアニール2だけとしてもよい。アニール1を200℃以下でおこないアニール2を200℃以上で好ましくは400℃以上でおこなうのがよい。
【0025】
Agを蒸着するときの蒸着速度、および蒸着中のサファイア基板2の温度を変えることにより形成されたLEDチップの特性が変化する。この特性変化を調べるためまずこれら蒸着速度と温度とを変えてLED部材を多数形成した。これらLED部材は、図3の工程36を終了した時点のLED部材でアニール1をおこなう前に得られる。
各LEDチップを入力電流20mAで室温連続動作させその発光強度の時間変化を測定した。銀の蒸着時にサファイア基板2の温度を室温とし、蒸着速度を0.1nm/秒として形成したLEDチップの発光強度は連続動作開始後30分でに、連続動作開始時の発光強度の5%以下に減少した。
【0026】
これに対して、サファイア基板2の温度を200℃にし、蒸着速度を0.03nm/秒として形成したLEDチップでは30分以上連続動作させても発光強度はまったく減少せず、長時間連続動作でも発光強度が減少しないことが確かめられた。
サファイア基板2の温度を室温とし、蒸着速度を0.03nm/秒として形成したLEDチップでは30分以上連続動作させると発光強度が動作開始時の60〜80%になる。
サファイア基板2の温度を200℃とし、蒸着速度を0.1nm/秒として形成したLEDチップでは30分以上連続動作させると発光強度が動作開始時の約90%になる。
【0027】
極端な高温では蒸着された銀が島状になってしまうので電極として使用することはできない。サファイア基板2の温度を更に高くすると蒸着速度が0.03nm/秒でも400℃近くから銀の被着が不均一になりだし、蒸着速度が高いと更に低い温度でも銀の被着が不均一が生じる。この不均一が生じると銀層の抵抗値が上昇し、その光散乱が増加するとともにLEDの上記発光強度の経時減衰が速くなりLEDは実用に供し得ない。
以下に詳細に述べるが実施例のLEDチップはアニール1、2の前後いずれにおいてもこのような測定結果となった。
【0028】
このような実験の結果、銀層の蒸着は蒸着速度を約0.05nm/秒以下とし、サファイア基板2の温度を200℃以下とするのが好ましいと判明した。
LED製造の効率を考えれば、蒸着速度は高い方がよいが、高速過ぎれば銀の層の品質がさがる。また、製造の容易さからサファイア基板2の温度を室温等のより低温とすれば、良好な銀層の品質を得るため蒸着速度をより低くする必要があり、0.03nm/秒以下にするのがよい。上記のようにサファイア基板2の温度を200℃近傍にし、蒸着速度を0.03nm/秒近傍に選ぶのが得策である。
【0029】
また、銀層の蒸着速度とLED部材の基板温度とを可変して、発光強度を測定し製造プロセスに対するより適切な銀層の蒸着速度と基板温度とを決定するのがさらに好ましい。この場合、Ag層における出力光の輝度分布の均一性も良好であることが好ましい。
【0030】
従来のLED製造プロセスでは、LEDの動作電圧を下げるために、電極を蒸着した後にLEDチップを400〜500℃でアニールする方法がよく用いられてきた。本発明の第1の実施例のLEDチップを形成する際は、Agを蒸着した直後は、LEDチップを窒素雰囲気中で通常知られている温度(400〜500℃)よりも低い200℃でアニール1を行い、ボンディング用の金属電極やn電極をつけたあとは500℃でアニール2をおこなった。前述のようにアニール1を省略してもよい。
【0031】
図4は、アニールの時間効果を確認するための実験結果を示すグラフである。
図4は、p層5と同じ特性を有するp型GaN基板上に蒸着された2つのAg電極間の電圧降下を該電極の間に500uAの電流を流して測定した結果を示している。p型GaN基板はAg蒸着後に窒素雰囲気中、200℃でアニールされたもので、Ag電極間電圧降下は該アニール時間を変えてプロットしてある。
図4はAg蒸着中のp型GaN基板の温度Tsが室温でのカーブ41と200℃でのカーブ42とを示しているが、温度Tsがその他の値の場合でも、20分以上アニールすることで、2つのAg電極間の電圧降下はアニール前よりも低下した。温度Tsによらずアニールの効果を見積もれる点は有利である。
【0032】
なお、上記電圧降下の値はp型GaN基板によるアニール非依存抵抗の寄与が大きい。実際に形成されたLEDチップ間の端子間電圧が3〜4ボルトになることを考慮すると、最終製品としてのLEDに対するAg電極の接触電圧のアニールによる変化は50%を越えるといえる。したがって、アニールによるLEDの効率(出力光電力/入力電力)の改善がおこなえる。
ここでのアニールは前述のアニール1に相当しアニール温度は200℃以上とするのが効果的である。特にn電極7を形成してからアニールする場合(アニール2)は400〜500℃でアニールするのがよい。
上記したように本発明の第1の実施例のGaN系LEDおよびGaN系LEDチップは第1層が銀層であるp電極を有するLEDの製造プロセスの確立に役立つ。
【0033】
図5は本発明の第2の実施例のLED50の部分断面図である。
なお、TiO2層52はボンディング用の電極金属層21aよりかなり薄くなっており図5では寸法を信用すべき出ない。
図2のLED20におけると同様の機能、性能を発揮する部分には図2におけると同じ参照番号が付されている。
本発明の第2の実施例と第1の実施例との違いは、p電極として蒸着される銀層51厚さを10nmと薄くし出力光に対する透過率を改善した点と、該銀層の保護、安定化と透過率の更なる改善をするため、p電極の上にTiO2層52を蒸着した点にある。
【0034】
ボンディング用の電極金属層51aはボンディング用の電極金属層21aと実質的におなじものである。2枚のTiO2膜により透明銀電極をサンドウィッチし透過率を改善する技術は周知であるが(「薄膜ハンドブック」、496頁、オーム社、東京(1983)参照)、銀層上にTiO2層52を蒸着した本第2の実施例の構成でも出力光に対する透過率を改善できることが判明した。金属層は厚さが20nm以下で透明となるが、透明導電膜としての膜厚は3〜15nmの範囲に限定されるといわれ、また波長が500nm以下では銀の吸収が金より少ないといわれている(「薄膜ハンドブック」、495頁、オーム社、東京(1983)参照)。本第2の実施例ではLEDの効率を改善し信頼性を確保する観点から該膜厚を10nmとした。
【0035】
なお、p電極の第1層として蒸着された銀層上にTiO2を蒸着することの効果を測定してLEDの設計に役立てるため次の実験をおこなった。
まず光学部品の透明基板として一般に用いられている光学ガラスであるBK7基板(「理科年表」、518−519頁、丸善、東京(1992))上に銀を蒸着した。BK7基板温度を室温にし、蒸着速度0.03nm/秒で厚さ10nmのAg層を蒸着した試料1と、さらにその上に厚さ25nmのTiO2層を蒸着した試料2を作成した。
【0036】
図6は、このようにして作成された試料1、2の透過率の測定結果を示している。測定光の波長が450nmでの透過率は、試料1がカーブ61から透過率49%なのに対して試料2ではカーブ62から透過率66%まで増加している。上記試料2ではTiO2膜の膜厚として25nmを選んだが、これは波長が450nmでのAg層とTiO2膜の合成多層膜の透過率を最大にする厚さであるためである。従来良く使用されるニッケル1nmと金8nmの2層膜の透過率は47%であった。波長が450nmより短い領域ではさらにAg層とTiO2膜の合成多層膜が有利となることが分った。(なおAg層の層厚が7nmではAg層と合成多層膜の透過率はそれぞれ52%、71%であった。)
【0037】
本発明の発明者等は、他の金属薄膜層に比べAg層の吸収が少なく反射率に透過率が依存していることを突き止め(図8も参照)、所望波長での透過率を最大にするためには該波長λに比例してTiO2膜の膜厚を変えればよいことも見出した。ひとつの方法として膜厚を25×λ/450(nm)とする方法がある。本発明の第2の実施例ではTiO2膜の膜厚を25nmとし波長が450nmでのAg層の透過率を最大にしている。TiO2膜は透過率を高める光学整合層として機能しその所要膜厚はAg層の膜厚に依らず膜厚制御が容易な点は有利である。
勿論、ボンディング用の金属電極51a下部を除く部分のみを銀層としても出力光を増す効果が得られることは明白である。あるいはボンディング用の金属電極51aの下部近傍を含む銀層51の厚さを増加させて金属電極51aと銀層の接続を容易にしてもよい。
【0038】
図7は本発明の第2の実施例のGaN系LEDを製造するために図3の工程図に工程381と工程382とを追加すべきことを示している。工程38においてn電極7を形成し、引き続きアニール2を実施した後、TiO2を蒸着しパターニングしてTiO2層52を形成し(工程381)、該TiO2層52にボンディング用の金属電極51a上部の穴をパターニングして形成したのち第3回目のアニール(アニール3)をおこなった(工程382)。その後形成したLEDチップをパッケージ8のダイ・パッド8aに取り付け、ボンディングワイヤを配線して樹脂封じなどの処理をおこなってLED製品を完成させた(工程39)。
【0039】
TiO2層52を用いる場合、銀層51の蒸着時の条件が緩和され、サファイア基板2の温度が同一でも銀の蒸着速度を高くできる。すなわちTiO2層52は光学整合層として機能するだけでなく、銀層51の機械的、電気的特性とを向上するための誘電体安定化層としても機能している点が好ましい。
代替誘電体透明薄膜として、SiO2、Al2O3なども効果があるがTiO2層52が最も効果的であった。
また、第1の実施例におけると同様に、アニールはアニール1、2をおこなってもよいし、アニール2のみ、あるいはアニール3のみとしてもよい。
【0040】
第2の実施例のLEDチップはその電圧電流特性が図15のカーブ151とほとんど同じであり、良好な特性が得られた。またその光出力は透明電極の透過率に略比例したので銀層51が10nmでTiO2層52が25nmのとき、ニッケル層
の場合、ニッケル1nmと金8nmの2層膜で図2の銀層51とTiO2層52とを置換した従来技術によるLED(LED-P)に比べ少なくとも1.4倍以上の効率(光強度/入力電力)を得ることができた。
【0041】
一方発明者等は上記銀層が良好な反射膜として機能するp電極を構成できることを見出し本発明の第3の実施例を構成した。銀の光吸収が少ない点はここでも有利である。
まず図8を参照して銀が反射率の高いp電極を実現する金属として優れている点について説明する。
【0042】
図8にはガラスに蒸着した膜厚100nmの各種金属層の反射率の波長依存特性がプロットされている。
図8において、それぞれ、カーブ80は銀層、カーブ81はパラジウム層、カーブ82は白金層、カーブ83はニッケル層、カーブ84は金層、カーブ85はアルミニウム層、カーブ86はクロム層、カーブ87はチタン層の各反射率を表している。GaN系LEDの出力光である青から緑付近の波長において90%以上の反射率が得られる薄膜材料は、銀もしくはアルミニウムであることが分った。
【0043】
また、p電極としてオーミック接合を形成できる金属は、銀、パラヂウム、白金、ニッケルが知られている。銀以外のこれら金属の薄膜の反射率は、青から緑付近の波長においていずれも65%以下であり、これらの金属をp電極として使用しても、従来の反射p電極に比較して明らかな優位性を示すことはできない。
一方、金、アルミニウム、クロム、チタンなどはp電極としてオーミック接合が形成できないことが分かっている。
したがって、より高い反射率が得られ、p電極として良好に機能する金属薄膜としては銀が最も適していることがわかった。
【0044】
銀薄膜について、波長470nmの光に対する反射率を膜厚を変えてプロットすると図9のとおりである。膜厚の増加に伴って反射率も大きくなるが、膜厚が50nm付近で飽和する。従来のp電極に対して顕著な優位性を得るためには少なくとも20nm以上の膜厚が必要であることがわかる。また、銀の量を50nm以上とすれば少ない銀で十分な効果が得られる。100nm以上は反射率を得るためには光学的には殆ど意味がない。しかし、銀に他の金属が拡散して銀そのものの反射率が得られない恐れのある場合は銀の厚さを拡散する金属と量に応じてさらに増加させるのがよい。
【0045】
以上の知見と銀層がp型窒化物半導体上に透明電極として安定に形成できる本発明の技術に基づき本発明の発明者等は、LED素子(チップ)をパッケージにフリップ・ボンディングしてLEDを構成する考えに至った。
【0046】
図10には本発明の第3、第4の実施例のLEDチップ100A(図10の(A))とLEDチップ100B(図10の(B))の断面が示されている。
これら、第3、第4の実施例ではサファイア基板2が活性層4から発生する光に対し高い透過率をもつので出力光はサファイア基板2から外に放射される。サファイア基板2とは別の透明基板を用いてもよい。
図10において図2のLED20におけると同様の機能、性能を発揮する部分には図2におけると同じ参照番号が付されている。パッケージ8を除きLEDチップ100の組立はLED20を組立てる場合と同様であるが、蒸着される銀層101の膜厚が銀層51の膜厚に比較し厚くなっている。
【0047】
第3の実施例のLEDチップ100Aはp電極が銀層101(厚さ100nm)と層103Aのみを有し、それら薄膜間に拡散阻止層102を有しないLEDチップ20である。層103Aが銀層101の安定化層であり銀層101の反射率を低下させない金属や誘電体で銀層の全体あるいは一部を覆うように構成される。
まずLEDチップ100Aが誘電体からなる層103Aを用いる場合はその一部に穴を設け銀層へ接続される回路接続用金属層が必要である。銀層の厚さが20nm以上で反射層として形成する工程(図3の工程36)を除けば製造工程は第2の実施例におけると同様に工程31から工程38、工程381〜工程382を経てLEDチップ100Aが形成される。
【0048】
さらにLEDチップ100Aは工程382からは後述の図12に記載の工程391に移行して銀層上の回路接続用金属層とn電極7上にボールボンディング法によって金バンプ等のボンディング電極116を形成しLEDチップ100Aが実装できる状態となる(図11の(A))。次にLEDチップのフリップチップ・ボンディングをおこなう。まず、LEDチップ100Aをウェーハ上に多数形成した場合は該ウェーハ裏面をラッピングし該ウェーハをスクライビングによって1つ1つのLEDチップ100Aに分割した(工程392)。また、図11の(B)に示すようにパッケージ118のダイ・パッド上のリード線118a上に、インジウム系の低融点金属から成るバンプ118bを形成した(工程393)。最後にLEDチップ100Aとパッケージ118とを位置合わせして、加熱・加圧してボンディング電極116とバンプ118bとを接合し図11の(C)に示すLED110が得られた(工程394)。チップ保護等のため必要に応じてLED110を樹脂封止してもよい。
なお上記LEDチップ100AとLED製品の製造工程でのアニールについては第2の実施例におけると同じである。
金属層103Aを用いる場合は後述の第4の実施例のLEDチップの製造工程において第2層102を欠く場合と同じなので、ここでは述べない。
また、層103Aが金属であれ誘電体であれ銀層に対する安定化層として機能する点は共通である。
【0049】
本発明の第4の実施例のLEDチップ100Bも図3の工程35までを経過したLED部材にさらに図12に記載の工程を加えることで形成される。工程36Aにおいて銀層101銀層101を20nm以上、第4の実施例では100nm蒸着し、工程371においてニッケルの拡散阻止層102を厚さ300nmまで蒸着した。ただしLED部材のアニールはおこなわない。拡散阻止層102は、必須ではないが、銀層101の側面をも覆いp層5とともに該銀層101を封止するようにした。次に回路接続用金属、ここでは金を50nm厚まで蒸着した(工程372)。n電極7はn層3上にチタン層(厚さ10nm)を蒸着しさらにその上に回路接続用金属としてアルミニウム層(厚さ200nm)を蒸着して形成した(工程38)。良好なオーミック接合を得るためのアニールは前記図3の工程でのアニール2と同様に、基板温度450℃、30分実施した(工程38)。
【0050】
次に工程373は省略して前述の工程391に移行して金層103とn電極7上にボールボンディング法によって金バンプ電極等のボンディング電極116を形成しLEDチップ100Bが実装できる状態となる(図11の(A))。次に上記第3の実施例でLEDチップ100Aについておこなったと同様に、工程392〜工程394によりLEDチップ100Bをパッケージ118にフリップチップ・ボンディングする。チップ保護等のため必要に応じてLED110を樹脂封止してもよい。
【0051】
本発明の第3の実施例において銀層101上に直接蒸着されるボンディング電極116として金層や金バンプ電極を採用すると金の拡散により銀層110側の反射率が劣化してしまうことがある。本発明の第4の実施例はp電極を3層構造として上記不都合を解消したものである。
【0052】
すなわちp電極の3層構造は第1層101が半導体とのオーミックな接続が得られ、かつ、反射率の高い材料、第2層102は後工程での第1層への金属拡散を抑制し第1層の反射率の減少を押さえる材料、そして、第3層103はボンディングやバンプ形成を可能にする材料が選択されるのが好ましい場合が多い。以下に、それら条件満たすように各層の材料選択をおこなった場合について図13を用いて説明する。
【0053】
図13はp電極の第2層の必要性を説明するためp電極の反射率を測定光の波長にたいしてプロットした図である。オーミック接合を得るための前述のアニールによりp電極の光に対する反射率の変化がわかる。
カーブ131はp電極として銀層101を蒸着した直後のサファイア基板2側からみた反射率、カーブ132は拡散阻止層102として第2層のニッケル層を第1層である銀と第3層である金層103の間に設置した三層構造でのアニール後の反射率、カーブ133は第2層を設置しない銀層101と金層103の二層構造でのアニール後の反射率である。
【0054】
上記2層構造では、アニールによって金が銀層101側に拡散し、顕微鏡による目視観察でも顕著な色の変化があり、結果として反射率が減少している。一方、第2層としてニッケルを設置した場合(カーブ132)については、アニール後も反射率の減少は5%程度であり、顕微鏡による目視観察でも顕著な色の変化は認められなかった。第2層102のニッケルが拡散防止層として機能し、第3層103の金が第1層101である銀層への拡散を阻止している。
第4の実施例では金拡散を重視しボンディング性をやや犠牲にした金厚みの選定をおこなっている。
【0055】
次に図14、図15を用いて本発明の第4の実施例についてさらに説明する。
図14は、本発明の第4の実施例によるLEDの出力光の発光強度141と従来のLEDの出力光の発光強度142の入力電流に対する変化を任意単位(au)で比較プロットしたものである。この従来のLED(前記LED-P)のLEDチップは図1のLEDチップ10と同じで、第4の実施例のチップと電極構成が異なるがそれ以外の構成は等価であり、同一チップ面積、同一p層面積とを有する。p層面積の約15%がボンディング用の金属p電極であり、フリップチップ方式実装によりこの程度の出力光の増加は予測される。
図15は、本発明の第4の実施例によるLEDの駆動電圧151と従来のLEDの駆動電圧152の入力電流に対する変化を比較プロットしたものである。
【0056】
図14、図15から明らかなように、本発明の第4の実施例のLEDは従来のLEDに比較して約2倍明るく、駆動電圧は同等か少し低いことがわかる。前記第3層103を金層からアルミニウム層としても同様の効果を得ることができる。
また、銀層101の上に第2層102等を設けたので銀層の安定度が増し、それがない場合に比較し銀層101の蒸着形成時に基板温度をより低温とし蒸着速度をより高速にできる点は有利である。すなわち第2層101は拡散阻止層として機能するだけでなく、銀層101の機械的、電気的特性を向上するための金属安定化層としても機能している点が好ましい。
【0057】
また、第2層102や第3層103はそれ自体多層薄膜であってもよいし、それら多層膜の構成がそれらの面積的広がりにわたり均一である必要もない。第2層102を安定化層としてのみ機能させ安定化層として用いる場合は第2層が銀層100に拡散しないことが特にもとめられる。第2層102を拡散阻止層として機能させるばあいは第2層が銀層100に拡散しないとともに第3層の銀層への拡散を阻止する能力が高い必要がある。第3の実施例において第2層102を欠くばあい第3層103は回路接続に適するとともに銀層100に拡散しないことが特にもとめられる。
【0058】
第1層である銀層101への第2層102や第3層103の金属の拡散は高温アニールを行っているときに著しいので、第4の実施例において次のような工程変更をおこなって、第5の実施例を得た。
(1)工程372を省略し第4の実施例では省略した工程373に置いて回路接続用金属電極の蒸着をおこなう。この場合工程372でおこなったよりも第3層を厚く蒸着してボンディング性を改善できよう。
このようにすると第3層103の拡散は極めて少なくなり、銀層101の反射率の低下が少なくなりLEDの光量すなわち発光強度を更に多くすることができる。
ただし、第2層102の表面がが工程38のアニール2の中で酸化するなどの第3層との密着性を損なう変化を生じないように注意しなければならない。そのような変化が生じたばあいは、変化した表面の除去プロセスを追加してもよい。(2)また、上記表面の変化による密着性の悪化を軽減するため、工程371と工程373とを実施し、工程372では第3層103を第4の実施例での工程371におけるより薄く蒸着し、工程373では追加の第3層蒸着をおこなうようにしてもよい。
【0059】
上記第3〜第5の実施例では工程371におけるアニール11を行っていないが工程管理等の目的で該アニール11をおこなって工程371までの工程を経たLED部材の種々の測定をおこなってもよい。
上記第3〜第5の実施例ではフリップチップ構造をとるため、従来の方法では、出力された光が反射、吸収する原因となっていた透明電極、ボンディング用電極、ボンディングワイヤなどが出力光射出方向には存在せず多くの光をLEDチップから外に取り出せる。また、p電極の銀層101の反射率が高いためさらに光の取り出し効率を高められると同時に、LEDチップの薄膜構造が簡略化し、ダイ・パッドの反射率を高めるための手段も必要もないためLED製品の構造を簡略化でき、コストを削減できる。
【0060】
さらに、前記第2の実施例のLEDチップにおいて銀層51の厚さを20nmより厚くし、該LEDチップをフリップチップ・ボンディングして前記第3、第4の実施例のLEDと同様なLED製品が本発明の第6の実施例のLEDとして得られる。
また、フリップチップ・ボンディングをするためのボンディング電極とインジウム系の低融点金属から成るバンプとはLEDチップとパッケージ間で互いに交換することもできるし、適宜の別の金属とすることもできる。
【0061】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例に限定されるものではなく、種々の変形や追加をおこなってより多くの電子装置に応用できるものである。以下に本発明の実施態様のいくつかを列挙して本発明の多様な実施への参考に供したい。
【0062】
(実施態様1):
基板と
該基板上のn型窒化物半導体層と、
n型窒化物半導体層上の窒化物半導体からなる活性層と、
活性層上のp型窒化物半導体層と、
p型窒化物半導体層上の銀層と、
を備えたLED部材。
【0063】
(実施態様2):
前記窒化物半導体層と前記活性層とGaN系半導体層であることを特徴とする実施態様1に記載のLED部材。
(実施態様3):
前記n型窒化物半導体層上にn電極を追加し前記p型窒化物半導体層上にp電極を追加して成る実施態様1あるいは実施態様2に記載のLED部材。
(実施態様4):
前記銀層上に安定化層を追加して成る実施態様1あるいは実施態様2に記載のLED部材。
【0064】
(実施態様5):
前記銀層上に安定化層を追加して成る実施態様3に記載のLED部材。
(実施態様6)
前記安定化層が光整合層で前記銀層の厚さが20nm以下であることを特徴とする実施態様4あるいは実施態様5に記載のLED部材。
(実施態様7):
前記安定化層が誘電体で前記銀層の厚さが20nm以上であることを特徴とする実施態様4あるいは実施態様5に記載のLED部材。
(実施態様8):
前記光整合層がTiO2層であることを特徴とする実施態様6に記載のLED部材。
【0065】
(実施態様9):
前記TiO2層の厚さが前記活性層から発生する注目光の波長の約18分の1であることを特徴とする実施態様8に記載のLED部材。
(実施態様10):
実施態様3〜実施態様9のいずれかに記載の前記LED部材と該LED部材をダイ・ボンディングし前記p電極とn電極とをワイヤボンディングするためのパッケージとを備えたLED製品。
【0066】
(実施態様11):
基板を用意する工程と、
基板上にn型窒化物半導体層を成長させる工程と、
n型窒化物半導体層上に窒化物半導体からなる活性層を成長させる工程と、
活性層上にp型窒化物半導体層を成長させる工程と、
前記基板を加熱して前記p型窒化物半導体層の活性化をおこなう工程と、
該p型窒化物半導体層上に所定の厚さの銀層を設ける工程と、
を含むLED部材の製造方法。
【0067】
(実施態様12):
前記設ける工程において前記基板の温度を室温より高い温度に加熱して銀層を蒸着することを特徴とする実施態様11に記載のLED部材の製造方法。
(実施態様13):
前記室温より高い温度は200℃以下であることを特徴とする実施態様12に記載のLED部材の製造方法。
(実施態様14):
前記設ける工程において前記銀層を1秒当たり0.05nm以下の割合で蒸着することを特徴とする実施態様11から実施態様13のいずれかに記載のLED部材の製造方法。
【0068】
(実施態様15):
前記設ける工程のあとに前記基板と前記n型窒化物半導体層と前記活性層と前記p型窒化物半導体層と前記銀層とからなる第1のLED部材をアニールする工程を追加したことを特徴とする実施態様11から実施態様13のいずれかに記載のLED部材の製造方法。
(実施態様16):
前記アニールは前記基板を200℃以上に加熱しておこなうことを特徴とする実施態様15に記載のLED部材の製造方法。
(実施態様17):
前記アニールは窒素雰囲気中でおこなうことを特徴とする実施態様15あるいは実施態様16に記載のLED部材の製造方法。
【0069】
(実施態様18):
前記アニールは20分以上おこなうことを特徴とする実施態様15あるいは実施態様17に記載のLED部材の製造方法。
(実施態様19):
前記銀層の厚さが20nm以下であることを特徴とする実施態様11〜実施態様18のいずれかに記載のLED部材の製造方法。
(実施態様20):
前記銀層に安定化層を設ける工程を追加したことを特徴とする実施態様11〜実施態様18のいずれかに記載のLED部材の製造方法。
(実施態様21):
前記銀層に光学整合層を設ける工程を追加したことを特徴とする実施態様19に記載のLED部材の製造方法。
【0070】
(実施態様22):
基板を用意する工程と、
基板上にn型窒化物半導体層を成長させる工程と、
n型窒化物半導体層上に窒化物半導体からなる活性層を成長させる工程と、
活性層上にp型窒化物半導体層を成長させる工程と、
前記p型窒化物半導体層と前記活性層と前記n型窒化物半導体層の一部を前記p型窒化物半導体層側から掘り下げて該前記n型窒化物半導体層にn電極形成部分を形成する工程と、
前記基板を加熱して前記p型窒化物半導体層の活性化をおこなう工程と、
該p型窒化物半導体層上に銀層を所定の厚さに蒸着する工程と、
前記銀層上にボンディング用の電極金属層を蒸着する工程と、
前記n電極形成部分にn電極を蒸着する工程と、
を含むLED部材の製造方法。
【0071】
(実施態様23):
前記銀層に光学整合層を蒸着する工程を追加したことを特徴とする実施態様22に記載のLED部材の製造方法。
(実施態様24):
前記基板と前記n型窒化物半導体層と前記活性層と前記p型窒化物半導体層と前記銀層と前記ボンディング用の電極金属層と前記n電極とからなる第3のLED部材を200℃以上でアニールすることを特徴とする実施態様22〜実施態様23に記載のLED部材の製造方法。
(実施態様25):
前記アニールは20分以上おこなうことを特徴とする実施態様15あるいは実施態様24に記載のLED部材の製造方法。
【0072】
(実施態様26):
前記n電極形成部分を形成した後前記活性化をおこなう前に、前記基板と前記n型窒化物半導体層と前記活性層と前記p型窒化物半導体層とを含む第4のLED部材を王水に浸漬する工程を追加して成る実施態様11〜実施態様25のいずれかに記載のLED部材の製造方法。
(実施態様27):
前記浸漬する時間は30分以上であることを特徴とする実施態様26に記載のLED部材の製造方法。
【0073】
(実施態様28):
p型窒化物半導体層を備える電子装置であって該p型窒化物半導体層に蒸着した銀層を備え、該銀層が電極として機能するとともに短波長光の光透過層あるいは反射層として機能することを特徴とする半導体光電子装置。
(実施態様29):
前記銀層の厚さが20nm以下で光透過層として機能することを特徴とする実施態様29に記載の半導体光電子装置。
(実施態様30):
前記銀層が安定化層を有することを特徴とする実施態様29に記載の半導体光電子装置。
(実施態様31):
前記安定化層が光学整合層として機能することを特徴とする実施態様30に記載の半導体光電子装置。
【0074】
【発明の効果】
本発明を実施することによって、従来のものに比較して明るいダイオードが得られる。また、下記の効果が得られる。
1)動作電圧の低く、連続動作に対して安定に動作するLEDを効率的に実現できる。
2)LEDにおいて低い動作電圧を維持したまま、光の取り出し効率を増加できる。
3)上記1)、2)により、例えば、少数のLEDで同等の性能を得ることができるため、発光装置の小型化、低コスト化が実現可能となる。
4)また、受光装置等のp型窒化物半導体層を備える光電子装置であれば本発明の銀層を備え、該銀層が電極として機能するとともに光の、限定的ではないが特に短波長光の、透過層あるいは反射層として良好に機能する半導体光電子装置広く応用できるので有益である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によるGaN系半導体に基づいて構成したGaN系LEDの断面図である
【図2】p電極を構成する第1層金属として銀(Ag)層21を蒸着した本発明の第1の実施例のGaN系LED20の断面図である。
【図3】LED20の組立プロセスを説明するための工程図である。
【図4】アニールの効果を確認するための実験結果を示すグラフである。
【図5】本発明の第2の実施例のLED50の部分断面図である。
【図6】試料1、2の透過率の測定結果を示す測定光の波長が450nmでの透過率のグラフである。
【図7】本発明の第2の実施例のGaN系LEDを製造するために図3の工程図に工程381と工程382とを追加すべきことを示す部分肯定図である。
【図8】にはガラスに蒸着した膜厚100nmの各種金属層の反射率の波長依存特性をプロットしたグラフである。
【図9】銀層について、波長470nmの光に対する反射率を膜厚を変えてプロットしたグラフである。
【図10】本発明の第4の実施例のLEDチップ100の断面図である。
【図11】LEDチップ100をパッケージにボンディングする手順を説明するための図である。
【図12】本発明の第4の実施例のLEDチップ100Bの製造とその実装とをおこなう工程を示す工程図である。
【図13】p電極の第2層の必要性を説明するためp電極の反射率を測定光の波長にたいしてプロットしたグラフである。
【図14】 本発明の第4の実施例によるLEDの発光強度141と従来のLEDの発光強度142の入力電流に対する変化を任意単位(au)で比較プロットしたグラフである。
【図15】本発明の第4の実施例によるLEDの駆動電圧151と従来のLEDの駆動電圧152の入力電流に対する変化を比較プロットしたグラフである。
【符号の説明】
1 GaN系LED
2 サファイア基板
3 n層
4 活性層4、
5 p層5、
6 透明p電極6
6a ボンディング用p電極
7 n電極
8 パッケージ
8a ダイ・パッド
10 従来技術のGaN系LEDチップ
20 本発明の第1の実施例のGaN系LED
21 銀(Ag)層
21a ボンディング用の電極金属層
100A、100B LEDチップ
101 銀層(第1層)
102 拡散阻止層(第2層)
103 回路接続用金属層(第3層)
103A 回路接続用金属層
110 LED
116 ボンディング電極
118 パッケージ
118a リード線
118b 低融点金属から成るバンプ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an electronic device including a nitride semiconductor, and more particularly to an optoelectronic device having a p-type nitride semiconductor with an electrode containing silver to improve optical characteristics and photoelectric characteristics, and a method for manufacturing the same.
[0002]
In this specification, “nitride semiconductor” is “group III nitride semiconductor”, and “light emitting diode”, that is, “LED”, is a pn junction or a pn junction (hereinafter referred to as an active layer). An electronic device that outputs incoherent light. The “LED member” is a single unit that is not necessarily a semiconductor because it is further processed into an LED. One or more semiconductor thin film layers grown on a crystal substrate, and a semiconductor multilayer structure having a pn junction in a broad sense. An “LED chip” is an LED member that is a p-type region. Is an LED member that has a p-electrode and an n-electrode, each of which is an electrode and an n-type region, and is electrically driven from these electrodes. Bonding wire from It is an LED member that may come out, "LED product" has an LED chip, the LED chip has electrical wiring for driving a pn junction in a broad sense, a lead frame, a printed circuit board, An optoelectronic device that is die-bonded to the surface (collectively referred to as a die pad) of a ceramic substrate or the like (hereinafter collectively referred to as a package), such as an LED lamp or a seven-element display device.
[0003]
[Prior art]
Development of short-wavelength light emitting devices has been actively conducted. In general, if short-wavelength light with a wavelength of 550 nm or less can be generated efficiently, a full-color display or white light source can be realized with a long-wavelength light-emitting device, and expansion of the functions of application equipment of this device and reduction of energy consumption are expected. Has been.
Many of these short-wavelength light emitting devices are assembled on the basis of group III nitride semiconductors, and group III nitride semiconductors include GaN, AlN, InN, BN, AlInN, GaInN, AlGaN, BAlN, BInN, BGaN, BAlGaInN and the like are included. In particular, Group III nitride semiconductors mainly composed of GaN such as GaInN, AlGaN, BGaN, and BAlGaInN are referred to as “GaN-based semiconductors”.
[0004]
As an example of an LED which is one of the short wavelength light emitting devices, an LED configured based on a GaN-based semiconductor (hereinafter referred to as “GaN-based LED”) will be described with reference to FIG. In the following, when not confused, “thin film layer” is also simply referred to as “layer”. Each layer is composed of a plurality of sub-layers having different compositions as shown in FIG. 1 (A) disclosed by Yamada et al. In Japanese Patent Application No. 9-30204, but within the scope necessary for understanding the present invention, FIG. Choose a concise description and give a future explanation.
[0005]
In FIG. 1A, a GaN-based
In FIG. 1A, a GaN-based
[0006]
On the other hand, in FIG. 1B, a GaN-based
[0007]
The following correspondence is established between the
Although the
[0008]
Therefore, in the GaN-based
[0009]
Many efforts have been made to generate as much light as possible from the
[0010]
In order to reduce the contact voltage, a technique for depositing palladium on a p-type nitride semiconductor layer as a p-electrode (Japanese Patent Application No. 9-30204) and cleaning of the p-type nitride semiconductor layer before forming the p-electrode Technology (Japanese Patent Application No. 9-44022) and technology for inserting a group V substitutional nitride semiconductor layer between a p-type nitride semiconductor layer and a p-electrode metal (Japanese Patent Application No. 9-5339) have been developed. .
On the other hand, in the LED, since the p-electrode having this large area encounters much of the light generated in the active layer, it has preferable optical characteristics for taking out as much output light as possible in the active layer, that is, transmittance and It is desirable to have both reflectivity.
[0011]
In FIG. 1B, the light generated in the
[0012]
As the
[0013]
On the other hand, since there is no
[0014]
The light directed toward the
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in the conventional LED, when the light generated from the active layer is output from the transparent p-electrode side and extracted outside, the light toward the transparent p-electrode side is reflected and absorbed by a bonding electrode, a bonding wire, or the like. In addition, the transparent p electrode reflects and absorbs 50 to 60%.
On the other hand, 50 to 80% of the light output to the package side is reflected by the reflecting means installed on the die pad, but the light generated in the active layer even if the reflected light and the straight light are combined. Only about half of the total amount can be extracted as output light.
[0016]
In order to increase the intensity of the output light extracted outside, that is, the emission intensity of the LED, if the p electrode is made thin to further increase the transmittance, the area resistance of the transparent p electrode increases and the spread of the input current is limited. Therefore, the voltage between the terminals of the LED must be increased, and as a result, the luminous efficiency of the LED is lowered. In addition, since the p-electrode has two functions of light transmission and bonding, it must have a complicated film structure. Furthermore, since a means for reflecting the light output to the package side is required, the number of components is increased, the manufacturing process is complicated, and the cost of the LED is increased.
In addition, it is desirable that light reflected and absorbed by a bonding electrode or a bonding wire can be effectively used as output light.
Furthermore, it is desirable to obtain a p-electrode and device configuration with improved mechanical, electrical, optical, opto-electrical properties or their cooperative properties that can be widely applied to other optoelectronic devices as p-electrodes.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a novel technique that can stably realize a p-electrode having excellent electric characteristics and optical characteristics by using silver having a low resistivity, that is, Ag, as the first layer metal of at least a part of the p-electrode. Is based.
The semiconductor optoelectronic device of the present invention is an electronic device including a p-type nitride semiconductor layer, and includes a silver layer deposited on the p-type nitride semiconductor layer, and the silver layer functions as an electrode and light is not limited. However, it is designed to function as a transmission layer or a reflection layer for particularly short wavelength light.
The thickness is adjusted to make the part a transparent p-electrode with high transmittance or a reflective p-electrode with high reflectance.
[0018]
In order to improve the mechanical and electrical properties of the silver, it is preferable to cover the silver layer with a metal or dielectric stabilization layer.
To further improve the transmission, the transparent p-electrode silver may be covered with a transparent dielectric matching layer.
Further, in order to stably deposit silver on the group III nitride semiconductor, a predetermined substrate temperature and vapor deposition rate are selected. Furthermore, the stability of the deposited silver may be improved by performing a predetermined cleaning before silver deposition.
[0019]
【Example】
In order to understand the present invention relating to the manufacture of nitride semiconductor LEDs, examples of the present invention relating to the manufacture of GaN-based LEDs are described below. Those skilled in the art can also gain knowledge in assembling other nitride semiconductor LEDs from the following examples. There are also prospects for the possibility of application of transparent p-electrodes and reflective p-electrodes to electronic devices other than LEDs.
[0020]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the GaN-based
2 includes a
[0021]
The assembly process of the
First, an
[0022]
Phosphoric acid can be used to remove nickel, or aqua regia can be used after raising the temperature from room temperature. However, the method of removing nickel using aqua regia is preferable because it can also be used to clean the surface of the nitride semiconductor. The removal of nickel is completed in a few minutes, but the time for immersing the LED member in aqua regia is usually 30 minutes to 1 hour, which is considerably longer than 5 minutes (see Japanese Patent Application No. 9-30204) used in such treatment. . When the time is shorter than 30 minutes, the cleaning effect on the surface of the p layer is gradually lost, and it has been found that the stability of silver deposited on the surface in the subsequent process is lost. That must be avoided.
[0023]
After that, the
[0024]
Next, in order to form an
Note that
[0025]
The characteristics of the LED chip formed are changed by changing the deposition rate when depositing Ag and the temperature of the
Each LED chip was continuously operated at an input current of 20 mA at room temperature, and the time change of the emission intensity was measured. The luminous intensity of the LED chip formed when the temperature of the
[0026]
In contrast, an LED chip formed with a
When the LED chip formed with the temperature of the
In LED chips formed at a sapphire substrate temperature of 200 ° C. and a deposition rate of 0.1 nm / second, the emission intensity becomes about 90% of the start of operation when operated continuously for 30 minutes or more.
[0027]
At extremely high temperatures, the deposited silver becomes island-like and cannot be used as an electrode. When the temperature of the
As will be described in detail below, the LED chip of the example had such measurement results before and after annealing 1 and 2.
[0028]
As a result of such experiments, it has been found that it is preferable to deposit the silver layer at a deposition rate of about 0.05 nm / second or less and a temperature of the
Considering the efficiency of LED manufacturing, a higher deposition rate is better, but if it is too fast, the quality of the silver layer will decrease. In addition, if the temperature of the
[0029]
More preferably, the silver layer deposition rate and the substrate temperature of the LED member are varied, and the emission intensity is measured to determine a more appropriate silver layer deposition rate and substrate temperature for the manufacturing process. In this case, it is preferable that the uniformity of the luminance distribution of the output light in the Ag layer is also good.
[0030]
In the conventional LED manufacturing process, in order to lower the operating voltage of the LED, a method of annealing the LED chip at 400 to 500 ° C. after electrode deposition has been often used. When forming the LED chip according to the first embodiment of the present invention, immediately after depositing Ag, the LED chip is annealed at 200 ° C., which is lower than the normally known temperature (400 to 500 ° C.) in a nitrogen atmosphere. After performing 1 and attaching the metal electrode and n electrode for bonding,
[0031]
FIG. 4 is a graph showing experimental results for confirming the annealing time effect.
FIG. 4 shows a result of measuring a voltage drop between two Ag electrodes deposited on a p-type GaN substrate having the same characteristics as the
FIG. 4 shows a curve 41 when the temperature Ts of the p-type GaN substrate during Ag deposition is room temperature and a
[0032]
Note that the value of the voltage drop greatly contributes to the annealing-independent resistance by the p-type GaN substrate. Considering that the voltage between the terminals of the actually formed LED chips is 3 to 4 volts, it can be said that the change due to annealing of the contact voltage of the Ag electrode with respect to the LED as the final product exceeds 50%. Therefore, the efficiency (output optical power / input power) of the LED can be improved by annealing.
The annealing here corresponds to the above-mentioned
As described above, the GaN-based LED and the GaN-based LED chip of the first embodiment of the present invention are useful for establishing a manufacturing process of an LED having a p-electrode whose first layer is a silver layer.
[0033]
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of an
TiO 2 The
The same reference numerals as in FIG. 2 are assigned to portions that exhibit the same function and performance as in the
The difference between the second embodiment and the first embodiment of the present invention is that the thickness of the
[0034]
The electrode metal layer 51a for bonding is substantially the same as the
[0035]
In addition, TiO is deposited on the silver layer deposited as the first layer of the p-electrode. 2 The following experiment was conducted to measure the effect of vapor deposition and to help design LED.
First, silver was vapor-deposited on a BK7 substrate (“Science Chronology”, pages 518-519, Maruzen, Tokyo (1992)), which is an optical glass generally used as a transparent substrate for optical components. BK7 substrate temperature was set to room temperature,
[0036]
FIG. 6 shows the measurement results of the transmittance of
[0037]
The inventors of the present invention have found that the Ag layer has less absorption than other metal thin film layers and the transmittance depends on the reflectance (see also FIG. 8), and maximizes the transmittance at the desired wavelength. In order to do so, TiO is proportional to the wavelength λ. 2 It has also been found that the film thickness may be changed. One method is to set the film thickness to 25 × λ / 450 (nm). In the second embodiment of the present invention, TiO 2 The transmittance of the Ag layer is maximized when the film thickness is 25 nm and the wavelength is 450 nm. TiO 2 The film functions as an optical matching layer that increases the transmittance, and the film thickness is advantageous in that the film thickness can be easily controlled regardless of the film thickness of the Ag layer.
Of course, it is obvious that the effect of increasing the output light can be obtained even if only the portion excluding the lower part of the bonding metal electrode 51a is made a silver layer. Or you may make the connection of the metal electrode 51a and a silver layer easy by increasing the thickness of the
[0038]
FIG. 7 shows that step 381 and step 382 should be added to the step diagram of FIG. 3 in order to manufacture the GaN-based LED of the second embodiment of the present invention. In
[0039]
TiO 2 When the
As an alternative dielectric transparent thin film, SiO 2 , Al 2 O Three Is also effective, but TiO 2 Layer 52 was most effective.
Further, as in the first embodiment, annealing may be performed by annealing 1 and 2, annealing 2 only, or annealing 3 only.
[0040]
The voltage and current characteristics of the LED chip of the second example are almost the same as those of the
In the case of 2 layers of
[0041]
On the other hand, the inventors found that the silver layer can constitute a p-electrode that functions as a good reflective film, and constructed a third embodiment of the present invention. The point of low light absorption of silver is also advantageous here.
First, the point that silver is excellent as a metal that realizes a p-electrode having a high reflectance will be described with reference to FIG.
[0042]
FIG. 8 plots the wavelength dependence characteristics of the reflectivity of various metal layers having a thickness of 100 nm deposited on glass.
In FIG. 8,
[0043]
Further, silver, palladium, platinum, and nickel are known as metals that can form an ohmic junction as a p-electrode. The reflectivity of the thin films of these metals other than silver is 65% or less in the wavelength range from blue to green, and even when these metals are used as the p-electrode, it is clear as compared with the conventional reflective p-electrode. We cannot show superiority.
On the other hand, gold, aluminum, chromium, titanium and the like have been found to be unable to form an ohmic junction as a p-electrode.
Therefore, it was found that silver is most suitable as a metal thin film that can obtain a higher reflectance and functions well as a p-electrode.
[0044]
For the silver thin film, the reflectance with respect to light having a wavelength of 470 nm is plotted while changing the film thickness, as shown in FIG. As the film thickness increases, the reflectivity increases, but the film thickness is saturated around 50 nm. It can be seen that a film thickness of at least 20 nm is required to obtain a significant advantage over the conventional p-electrode. If the amount of silver is 50 nm or more, a sufficient effect can be obtained with a small amount of silver. Above 100 nm, there is almost no optical meaning for obtaining reflectivity. However, when there is a possibility that other metals diffuse into silver and the reflectance of silver itself cannot be obtained, it is better to further increase the thickness of silver according to the diffusing metal and amount.
[0045]
Based on the above knowledge and the technology of the present invention in which a silver layer can be stably formed as a transparent electrode on a p-type nitride semiconductor, the inventors of the present invention flip-bonded an LED element (chip) to a package to produce an LED. I came up with an idea to compose.
[0046]
FIG. 10 shows a cross section of the
In these third and fourth embodiments, since the
In FIG. 10, the same reference numerals as those in FIG. 2 are assigned to portions that exhibit the same functions and performance as in the
[0047]
The
First, when the
[0048]
Further, the
The annealing in the manufacturing process of the
The case where the
Moreover, the point that the
[0049]
The
[0050]
Next, the
[0051]
In the third embodiment of the present invention, when a gold layer or a gold bump electrode is used as the
[0052]
That is, the three-layer structure of the p-electrode allows the
[0053]
FIG. 13 is a diagram in which the reflectance of the p electrode is plotted against the wavelength of the measurement light in order to explain the necessity of the second layer of the p electrode. It can be seen that the reflectance of the p-electrode with respect to light is changed by the above-described annealing to obtain an ohmic junction.
[0054]
In the above two-layer structure, gold diffuses to the
In the fourth embodiment, the gold thickness is selected with an emphasis on gold diffusion and sacrificing the bonding performance.
[0055]
Next, the fourth embodiment of the present invention will be further described with reference to FIGS.
FIG. 14 is a comparative plot of the change of the
FIG. 15 is a comparative plot of changes in the driving
[0056]
As is apparent from FIGS. 14 and 15, the LED of the fourth embodiment of the present invention is about twice as bright as the conventional LED, and the driving voltage is equivalent or slightly lower. The same effect can be obtained by changing the
In addition, since the
[0057]
In addition, the
[0058]
Since the diffusion of the metal of the
(1) The
In this way, the diffusion of the
However, care must be taken so that the surface of the
[0059]
In the third to fifth embodiments, the annealing 11 in the
Since the flip-chip structure is used in the third to fifth embodiments, the output light is emitted from the transparent electrode, the bonding electrode, the bonding wire, etc., which caused the reflected and absorbed light in the conventional method. It doesn't exist in the direction and can extract a lot of light from the LED chip. Further, since the reflectance of the
[0060]
Further, in the LED chip of the second embodiment, the
Also, the bonding electrode for flip chip bonding and the bump made of an indium-based low melting point metal can be exchanged between the LED chip and the package, or can be another appropriate metal.
[0061]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments, and can be applied to more electronic devices with various modifications and additions. In the following, some of the embodiments of the present invention will be listed to provide a reference for various implementations of the present invention.
[0062]
(Embodiment 1):
With substrate
An n-type nitride semiconductor layer on the substrate;
an active layer made of a nitride semiconductor on the n-type nitride semiconductor layer;
A p-type nitride semiconductor layer on the active layer;
a silver layer on the p-type nitride semiconductor layer;
LED member with
[0063]
(Embodiment 2):
The LED member according to
(Embodiment 3):
The LED member according to
(Embodiment 4):
The LED member according to
[0064]
(Embodiment 5):
4. The LED member according to
(Embodiment 6)
The LED member according to
(Embodiment 7):
The LED member according to
(Embodiment 8):
The optical matching layer is TiO 2 The LED member according to
[0065]
(Embodiment 9):
TiO 2 9. The LED member according to
(Embodiment 10):
An LED product comprising the LED member according to any one of
[0066]
(Embodiment 11):
Preparing a substrate;
Growing an n-type nitride semiconductor layer on the substrate;
growing an active layer made of a nitride semiconductor on the n-type nitride semiconductor layer;
Growing a p-type nitride semiconductor layer on the active layer;
Heating the substrate to activate the p-type nitride semiconductor layer;
Providing a silver layer having a predetermined thickness on the p-type nitride semiconductor layer;
Manufacturing method of LED member containing.
[0067]
(Embodiment 12):
The method for producing an LED member according to claim 11, wherein the silver layer is deposited by heating the substrate to a temperature higher than room temperature in the providing step.
(Embodiment 13):
The method for producing an LED member according to Embodiment 12, wherein the temperature higher than the room temperature is 200 ° C or lower.
(Embodiment 14):
The method for producing an LED member according to any one of embodiments 11 to 13, wherein the silver layer is deposited at a rate of 0.05 nm or less per second in the providing step.
[0068]
(Embodiment 15):
A step of annealing the first LED member comprising the substrate, the n-type nitride semiconductor layer, the active layer, the p-type nitride semiconductor layer, and the silver layer is added after the providing step. A method for manufacturing an LED member according to any one of Embodiments 11 to 13.
(Embodiment 16):
16. The method for manufacturing an LED member according to
(Embodiment 17):
17. The method for manufacturing an LED member according to
[0069]
(Embodiment 18):
18. The LED member manufacturing method according to
(Embodiment 19):
The method for producing an LED member according to any one of Embodiments 11 to 18, wherein the silver layer has a thickness of 20 nm or less.
(Embodiment 20):
The method for producing an LED member according to any one of Embodiments 11 to 18, wherein a step of providing a stabilization layer on the silver layer is added.
(Embodiment 21):
The method for producing an LED member according to embodiment 19, further comprising the step of providing an optical matching layer on the silver layer.
[0070]
(Embodiment 22):
Preparing a substrate;
Growing an n-type nitride semiconductor layer on the substrate;
growing an active layer made of a nitride semiconductor on the n-type nitride semiconductor layer;
Growing a p-type nitride semiconductor layer on the active layer;
Part of the p-type nitride semiconductor layer, the active layer, and the n-type nitride semiconductor layer is dug down from the p-type nitride semiconductor layer side to form an n-electrode forming portion in the n-type nitride semiconductor layer. Process,
Heating the substrate to activate the p-type nitride semiconductor layer;
Depositing a silver layer on the p-type nitride semiconductor layer to a predetermined thickness;
Depositing an electrode metal layer for bonding on the silver layer;
Depositing an n-electrode on the n-electrode forming portion;
Manufacturing method of LED member containing.
[0071]
(Embodiment 23):
The method for producing an LED member according to embodiment 22, further comprising the step of depositing an optical matching layer on the silver layer.
(Embodiment 24):
A third LED member comprising the substrate, the n-type nitride semiconductor layer, the active layer, the p-type nitride semiconductor layer, the silver layer, the bonding electrode metal layer, and the n electrode is formed at 200 ° C. or higher. 25. The method for manufacturing an LED member according to any one of Embodiments 22 to 23, wherein annealing is performed in the method.
(Embodiment 25):
25. The method of manufacturing an LED member according to
[0072]
(Embodiment 26):
Before forming the n-electrode forming portion and before activating, a fourth LED member including the substrate, the n-type nitride semiconductor layer, the active layer, and the p-type nitride semiconductor layer is aqua regia. 26. The method for producing an LED member according to any one of Embodiments 11 to 25, wherein a step of immersing in the LED is added.
(Embodiment 27):
27. The method for manufacturing an LED member according to
[0073]
(Embodiment 28):
An electronic device comprising a p-type nitride semiconductor layer, comprising a silver layer deposited on the p-type nitride semiconductor layer, wherein the silver layer functions as an electrode and functions as a light transmission layer or a reflection layer for short wavelength light A semiconductor optoelectronic device.
(Embodiment 29):
30. The semiconductor optoelectronic device according to embodiment 29, wherein the silver layer has a thickness of 20 nm or less and functions as a light transmission layer.
(Embodiment 30):
30. The semiconductor optoelectronic device according to embodiment 29, wherein the silver layer has a stabilizing layer.
(Embodiment 31):
31. The semiconductor optoelectronic device according to
[0074]
【The invention's effect】
By implementing the present invention, a brighter diode is obtained compared to the conventional one. In addition, the following effects can be obtained.
1) An LED with low operating voltage and stable operation for continuous operation can be realized efficiently.
2) Light extraction efficiency can be increased while maintaining a low operating voltage in the LED.
3) According to the above 1) and 2), for example, the same performance can be obtained with a small number of LEDs, so that the light emitting device can be reduced in size and cost.
4) Moreover, if it is an optoelectronic device provided with p-type nitride semiconductor layers, such as a light receiving device, it will be provided with the silver layer of this invention, this silver layer functions as an electrode, and although it is not limited, especially light of short wavelength light This is advantageous because it can be widely applied to semiconductor optoelectronic devices that function well as a transmission layer or a reflection layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a GaN-based LED configured based on a conventional GaN-based semiconductor.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a GaN-based
FIG. 3 is a process diagram for explaining an assembly process of the
FIG. 4 is a graph showing experimental results for confirming the effect of annealing.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of an
FIG. 6 is a graph of transmittance when the wavelength of measurement light is 450 nm and shows the measurement results of the transmittance of
FIG. 7 is a partial affirmative view showing that
FIG. 8 is a graph plotting the wavelength dependence characteristics of the reflectance of various metal layers having a thickness of 100 nm deposited on glass.
FIG. 9 is a graph obtained by plotting the reflectance with respect to light having a wavelength of 470 nm by changing the film thickness for the silver layer.
FIG. 10 is a cross-sectional view of an
FIG. 11 is a diagram for explaining a procedure for bonding an
FIG. 12 is a process diagram showing processes for manufacturing and mounting an
FIG. 13 is a graph in which the reflectance of the p electrode is plotted against the wavelength of the measurement light in order to explain the necessity of the second layer of the p electrode.
FIG. 14 is a graph in which the change of the
FIG. 15 is a graph in which changes of an
[Explanation of symbols]
1 GaN LED
2 Sapphire substrate
3 n layers
4
5 p-
6 Transparent p-
6a p-electrode for bonding
7 n electrode
8 packages
8a Die pad
10 Conventional GaN LED chip
20 GaN-based LED of the first embodiment of the present invention
21 Silver (Ag) layer
21a Electrode metal layer for bonding
100A, 100B LED chip
101 Silver layer (first layer)
102 Diffusion blocking layer (second layer)
103 Metal layer for circuit connection (third layer)
103A Metal layer for circuit connection
110 LED
116 Bonding electrodes
118 packages
118a Lead wire
118b Bump made of low melting point metal
Claims (29)
n型半導体層と、
該n型半導体層と電気的に接触し、光を発生するための活性層と、
前記活性層と電気的に接触するp型半導体層と、
前記p型半導体層と電気的に接触するp電極であって、
該p電極が
入力光の50%超を反射するのに十分な厚さを有する反射層として機能する少なくとも1つの銀層を有しており、
前記発生された光の一部が前記p電極から反射された後前記LED部材から出るようになっており、
前記LED部材がさらに、
前記銀層に電気的接続を確立するために前記銀層に電気的に接触するボンディング層と、
前記銀層を覆うようにニッケルにより形成され該銀層に対する金属の拡散を防止する拡散防止層として機能するとともに該銀層の機械的特性及び電気的特性を向上させる安定化層として機能する層と、を備えたことを特徴とするLED部材。An LED member,
an n-type semiconductor layer;
An active layer in electrical contact with the n-type semiconductor layer to generate light;
A p-type semiconductor layer in electrical contact with the active layer;
A p-electrode in electrical contact with the p-type semiconductor layer,
The p-electrode has at least one silver layer functioning as a reflective layer having a thickness sufficient to reflect more than 50% of the input light;
A portion of the generated light is reflected from the p-electrode and then exits the LED member;
The LED member further includes
A bonding layer in electrical contact with the silver layer to establish an electrical connection to the silver layer;
A layer formed of nickel so as to cover the silver layer and functioning as a diffusion preventing layer for preventing metal diffusion to the silver layer, and functioning as a stabilizing layer for improving mechanical and electrical properties of the silver layer; , LED member comprising the.
前記n型窒化物半導体層と接しており、ホールと電子との再結合によって光を発生する活性層を形成する工程と、
前記n型窒化物層に接する表面とは反対側の前記活性層の表面と接するp型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記p型窒化物半導体層上に入力光の50%超を反射するのに十分な厚さを有する反射層として機能する少なくとも1つの銀層を形成する工程と、
前記銀層と電気的接続を行うために、前記銀層に重なるボンディング層を形成する工程と、
前記銀層を覆うようにニッケルにより形成され該銀層に対する金属の拡散を防止する拡散防止層として機能するとともに該銀層の機械的特性及び電気的特性を向上させる安定化層として機能する層を、形成する工程と、
を含むLED部材の製造方法。forming an n-type nitride semiconductor layer;
Forming an active layer in contact with the n-type nitride semiconductor layer and generating light by recombination of holes and electrons;
Forming a p-type nitride semiconductor layer in contact with the surface of the active layer opposite to the surface in contact with the n-type nitride layer;
Forming at least one silver layer on the p-type nitride semiconductor layer that functions as a reflective layer having a thickness sufficient to reflect more than 50% of the input light;
Forming a bonding layer overlying the silver layer to make electrical connection with the silver layer;
A layer formed of nickel so as to cover the silver layer and functioning as a diffusion preventing layer for preventing metal diffusion to the silver layer, and functioning as a stabilizing layer for improving mechanical and electrical properties of the silver layer A forming step;
The manufacturing method of the LED member containing this.
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