JP5045336B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
ところで、良好な接合性を得るために半導体発光素子の電極の上部は金で形成されるとともに、接合領域である上面の一部を除いて電極表面はパッシベーション膜(保護膜)で被覆される。このような構成の半導体発光素子をAuSn半田でサブマウントなどに接合すれば、接合時の熱によってAuSn半田と電極側の金が相互拡散して電極の大きな変形を招き、パッシベーション膜の剥離や破壊などを引き起こす。また、AuSn半田に由来するSnが電極中に侵入・拡散し、素子機能に影響を及ぼす。
ここで、電極を半導体層側から順にチタン(Ti)層、ニッケル(Ni)層、及び金(Au)又は銀(Ag)層の三層構造とすることでAuSn半田に由来するSnが電極内で拡散することを阻止し、もって電極の剥離を防止する方法が提案されている(特許文献1)。しかし、この方法はあくまでも電極内へSnが侵入した後の対策にすぎず、電極内へのSnの侵入を阻止するものではないことから、接合時にSnが電極上部に侵入し電極を変形させることに対しては何ら有効でない。従って、電極表面にパッシベーション膜が形成されている場合、このような方法を採用したとしても電極の変形に伴うパッシベーション膜の剥離や破壊が発生することになる。また上記方法ではSnが電極内へ侵入することは避けられず、素子機能への影響も無視できない。
本発明に関連する技術を紹介する文献として特許文献2〜特許文献4を参照されたい。
まず、Ni層の上にAu層を形成した試料を用意し、半導体発光素子の電極接合時と同様の熱条件下でAu層の上にAuSn半田を載せた。その後、試料の切断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、Ni層の厚さに減少が認められた。この結果は、AuSnとNiが反応しやすいためにNi全面でSnによる浸食が生じることを反映したものであると考えられた(図1aを参照)。
一方、Ti層の上にAu層を形成して同様の実験を実施したところ、Ti層の厚さに変化は認められず、その代わりにTi層の一部において上面から下面に亘るクラック状の欠陥が観察された。この結果は、AuSnとTiは反応せず、Ti層の粒界又はピンホール等の欠陥に沿ってSnによる浸食が生じることを反映したものであると考えられた(図1bを参照)。
以上の実験結果より、NiとTiはそのSnに対する浸食特性が全く異なることが明らかとなった。この結果を踏まえて本発明者らは、図1cに示すようにTi層とNi層を交互に連続して積層した多層構造のバリア層によれば、Snの侵入・拡散に対する高いバリア効果が得られると考えた。図1cに示すバリア層ではまず、最上層のNi層がその中でSnを拡散することによってSnの下層への侵入・拡散を防止する。このようにNi層が一次障壁として機能し、下層へのSnの侵入量を低減させる。次のTi層では部分的な欠陥に沿ったSnの侵入が生ずるが、上記の通りNi層によってTi層へ到達するSnの量が低減されているため、Ti層を通過するSnの量は少ない。そしてTi層の下のNi層には、Ti層の欠陥を通って侵入したSnのみが到達することになるから、図で模式的に示したように、少量のSnによる部分的な拡散のみが生ずることになる。このように、図1cに示す構成のバリア層では、機構の異なるバリア作用が交互に繰り返し発揮されることによってSnの侵入・拡散の連続性が絶たれ、深部へのSnの侵入を効果的に阻止することができる。このように、Ni層とTi層を交互に繰り返し積層した多層構造のバリア層によれば強力なバリア効果が得られる。
尚、Ti層とNi層を組み合わせた多層構造のバリア層に限らず、Snに対する浸食特性の異なる2種類の層、即ちNiのように拡散効果によってSnの侵入を阻止する層と、TiのようにSnと実質的に反応しないことによってSnの侵入を阻止する層とを交互に繰り返し積層した多層構造のバリア層であれば同様の高いバリア効果が発揮されると考えられる。
半導体層上に形成された電極と、該電極の上面の一部を残して該電極表面を被覆するパッシベーション膜とを備えた半導体発光素子において、
チタン層とニッケル層を一組とする繰り返し構造の多層膜を少なくとも一組、前記電極上に形成する、ことを特徴とする半導体発光素子である。
この発光素子1はIII族窒化物系化合物半導体からなり、青色系の短波長光を出力する。カソードとしての拡散電極11とアノードとしてのn電極13とがともに半導体層5,7,9の上面に形成されている。パッシベーション膜15は拡散電極11及びn電極13を被覆し、一部が開口してそこにバリア層21の材料が充填されている。このバリア層21はチタン層とニッケル層とを交互に積層した多層構造であり、AuSn半田層23のSnが半導体層へ拡散することを防止している。このバリア層21とAuSn半田層23とで接合電極24が構成される。
パッシベーション膜15の開口部は一般的にエッチングにより形成されるものであるが、拡散電極11の表面が凹凸状態であると、この開口部を設けるとき拡散電極11とパッシベーション膜15との界面においてエッチングが横方向に進行しやすい。その結果、接合電極の層構成が変形したり、パッシベーション膜15が不安定になる。その結果、AuSn半田層のSn原子の拡散を有効に防止できなくなるおそれがある。
半導体層上に形成された拡散電極と、該拡散電極表面を被覆するパッシベーション膜であって一部に開口部を有するパッシベーション膜と、上面に半田層を有する接合電極とを備える半導体発光素子において、
前記拡散電極表面には、前記パッシベーション膜の開口部の底部に該開口部より大径でかつその表面が前記拡散電極の表面より平坦なバッファ電極が形成され、該バッファ電極の表面に前記バッファ電極を覆う第2のバリア層が形成され、前記バッファ電極へ前記接合電極が該第2のバリア層を介して接続する、ことを特徴とする半導体発光素子。
また、第1の局面の半導体発光素子によれば、該バッファ電極の表面に前記バッファ電極を覆う第2のバリア層が形成され、前記バッファ電極へ前記接合電極が該第2のバリア層を介して接続する。
第2のバリア層を形成することにより、拡散電極表面の凹凸は更に緩和され、パッシベーション膜の接着性が向上する。これにより、パッシベーション膜を開口する際に、パッシベーション膜に対する横方向エッチングが確実に抑制される。
本発明者らの検討によれば、パッシベーション膜と電極(接合電極と接する要素を指す)との界面において横方向エッチングが生じると、当該横方向エッチングにより形成された逆テーパを起点として接合電極に亀裂の入るおそれがあることがわかった。したがって、電極の表面にはより高い平坦性が求められる。
上記逆テーパ等に起因して接合電極に亀裂が生じたとしても、バッファ電極が第2のバリア層で被覆されておれば、接合電極に由来するSnの拡散を確実に防止することができる。
第1の局面に規定の半導体発光素子において、前記バッファ電極は前記拡散電極より厚くかつ前記拡散電極より柔らかい金属材料で形成されている。
バッファ電極を厚く形成することにより、その表面に平坦性を確保しやすくなる。また、拡散電極より柔らかい金属材料を用いることにより、製造工程中における通電テスト(テスタをカソード側電極に当接する)を行なうときに、バッファ電極がテスタ当接時の衝撃を吸収する。これにより、カソード側電極に不要なストレスがかかることを防止できる。
第1又は第2の局面で規定される半導体発光素子において、前記接合電極はチタン層とニッケル層とを交互に積層した多層構造を有するバリア層と、該バリア層の上面に積層されるAuSn半田層とを備えてなる。
バリア層をチタン層とニッケル層とて形成することにより、図1で説明したようにSnに対するバリア作用が確保される。またこれらを多層構造とすることによりバリア層内に生じる応力を緩和することができる。
第1〜第3の局面で規定される半導体発光素子において、前記拡散電極はITOからなり、前記バッファ電極はAu/Niを含む合金からなる。
ここに、ITOは透明な拡散電極として汎用されるものであり、このITOを用いることにより安価に半導体発光素子を提供できる。このITOに対するオーミックコンタクトと接着性を確実にするため、バッファ電極はAu/Ni合金からなるもの若しくはこのAu/Niを含む合金からなるものとすることが好ましい。
第1〜4のいずれかの局面で規定される半導体発光素子において、前記拡散電極の表面は凹凸状態である。
かかる凹凸状態の拡散電極を有する半導体発光素子であっても本発明を適用することにより、即ち、バッファ電極を形成することにより、電極表面の平坦性が確保される。これにより、パッシベーション膜に対する横方向エッチングを防止することができる。
また、Ni/Tiは比較的柔らかい材料であるので、通電テスト時においてもテスタに不要な衝撃力がかかることを未然に防止できる。
更に、この発明の第7の局面は次のように規定される。即ち、
前記第2のバリア層は、チタン層とニッケル層とを積層した多層構造の上面にアルミニウム層を備える。
このように規定される第7の局面の半導体発光素子によれば、バッファ電極を覆う第2のバリア層の上面にアルミニウム層が設けられるので、パッシベーション膜との接着性を向上することができる。
第1〜第7の何れかの局面の半導体発光素子において、前記パッシベーション膜は前記拡散電極の下側にある半導体層及び基板表面までを被覆する。
このように規定される第8の局面の半導体発光装置によれば、半導体層の全体がパッシベーション膜で被覆される。よって、半導体層へ接合電極のAuSn半田層が接触することを確実に防止できる。
本発明者らの検討によれば、フラックスを用いてAuSn半田をサブマウント等へ熱接合するとき、フラックスが残留してAuSn半田材料が拡散し、拡散電極の下側に位置する半導体層(n−GaN層等)に接するおそれがあった。AuSn半田材料と半導体層とが接触すると、半導体発光装置においてp電極とn型半導体層とがショートされてしまうので好ましくない。
そこでこの局面で規定するように、パッシベーション膜で半導体層の全面を被覆することにより、上記ショート状態を未然に防止できる。
本発明の半導体発光素子31は好ましくは、同一平面側にp側電極及びn側電極を備えたIII族窒化物系化合物半導体素子である。このような半導体発光素子はサブマウントなどにフェースダウン実装(フリップチップ実装)されて使用される。
III族窒化物系化合物半導体素子とは、III族窒化物系化合物半導体からなる発光層を有する発光素子をいう。ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)の四元系で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及びGaxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を用いることができる。p型不純物として、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いることができる。
III族窒化物系化合物半導体層は、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
なお、p型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能であるが必須ではない。
拡散電極11に光透過性を持たせるときはITOやZnO等の金属酸化物を用いることができる。
拡散電極11は、上記の材料を用いて、蒸着又はスパッタにより形成される。
また、パッシベーション膜21との接着性を確保する必要がある。これにより、パッシベーション膜21とバッファ電極32との界面での横方向エッチングを防止できるからである。
このバッファ電極32は拡散電極11より厚膜に形成することが好ましい。拡散電極11の表面に凹凸があっても拡散電極11を厚く形成する際にこの凹凸を吸収し、その上面を平坦にしやすくなるからである。たとえば、バッファ電極32の膜厚を拡散電極11の膜厚の3〜5倍とすることが好ましい。
また、バッファ電極32の材料は拡散電極11の材料に比べて柔らかいものを選択することが好ましい。通電テストにおいてテスタを当接させたときの衝撃を干渉するためである。
拡散電極11としてITOを選択したときかかるバッファ電極32の材料として実施例ではNi/Auを用いている。更に拡散電極11としてITOを選択したとき、ITOからNiとAuを順に積層して後で加熱して合金化することが好ましい。ITOに対するオーミックコンタクト及び接合性を更に良好にすることができるためである。また、合金化前のバッファ電極32の表面をAl層とすると、パッシベーション膜21との接着性を確保できる。なお、バッファ電極32としてNiとAuを一組としてこの多層構造を二以上繰返したものを用いてもよい。この際においてても、繰返し構造を形成後に、合金化することが好ましい。
パッシベーション膜21はCVD法、好ましくはプラズマCVD法で形成される。
この発明の一つの実施形態として接合電極24はバリア層21の上面へAuSn半田層23を積層してなる。
このバリア層21は、加熱前において、Ti層とNi層との多層構造を有する。好ましくはTi層とNi層とを一組としてこの多層構造を2以上繰り返す。好ましくはTi層がNi層よりもバッファ電極32側に配置されるように(バッファ電極32側から順にTi層、Ni層が交互に並ぶように)バリア層21を構築する。このようにすれば、バッファ電極32がAuを含むものであるとき、バッファ電極32との接着性に優れたTi層がバリア層21の最下層を構成することになりバッファ電極32とバリア層21との接着性が向上する。
バリア層21を構成する各層の膜厚は特に限定されない。バリア層21を多層構造にしたことによって各層の膜厚を比較的薄く設定することができる。これによってバリア層21内で生ずる応力を低減することができ、クラックや剥離等が発生し難いバリア層21となる。尚、Ti層の膜厚は例えば0.05μm〜1μmの範囲内で設定することができ、同様にNi層の膜厚は0.05μm〜1μmの範囲内で設定することができる。
多層膜に含まれる全てのTi層が同一の膜厚でなくてもよい。Ni層についても同様である。例えば、電極側の層ほど膜厚が厚くなるように多層膜を構築することができる。
多層膜全体の膜厚は例えば0.2μm〜2.0μmとする。好ましくは、高いバリア効果を発揮しつつ、製造コストの上昇や順方向電圧(Vf)の増加を抑えることができるように多層膜の膜厚を0.3μm〜1.0μmとする。
本発明のバリア層21ではSnに対するバリア効果が異なる層が交互に積層されていることが好ましいが、バリア層21を構成する第1の層の全てが同一の材料で形成されていなくてもよい。同様に第2の層の全てが同一の材料で形成されていなくてもよい。組成の異なる第1の層が混在する場合、及び/又は組成の異なる第2の層が混在する場合、バリア層21を構成する層の一部としてTi層及び/又はNi層を用いてもよい。
なお、AuSn半田層23は配線基板等へマウントする際にAuSnとなるものであればよい。具体的にはAu/Sn構造でも、その繰返し構造でもよい。
実施例の半導体発光素子1において半導体層のスペックは次の通りである。
層 :組成
p型層59 :p−GaN:Mg
発光する層を含む層57 :InGaN/AlGaNの層を含む
n型層55 :n−GaN:Si
バッファ層54 :AlN
基板13 :サファイア
n型層55を、発光する層を含む層57側の低電子濃度n-層とバッファ層12側の高電子濃度n+層とからなる2層構造にしてもよい。
発光する層を含む層57は量子井戸構造の発光層を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
発光する層を含む層57の上には、p型不純物としてMgをドープしたGaNからなるp型層59が形成される。このp型層59をAlGaN、InGaN又はAlInGaNで形成することもできる。p型不純物としてはZn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。また、p型層59を、発光する層を含む層57側の低ホール濃度p−層と電極側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造にしてもよい。
上記構成の発光素子において、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCVDを実行して形成することができる。また、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で各III族窒化物系化合物半導体層を形成することもできる。
拡散電極61の上には、図5に示すように、バッファ電極62が形成される。このバッファ電極62は拡散電極61側から順にNi層621(40nm)、Au層622(1500nm)、Al層623(10nm)を蒸着により積層した構成である。このバッファ電極62の表面は、拡散電極61の表面の如何にかかわらず、平坦となった。バッファ電極62の上面を平坦にするには、その膜厚を1000nm以上とすることが好ましい。
この実施例のバッファ電極62は全てITOより硬度の低い金属材料で、かつ上記のように厚く形成されている。これにより、通電テスト時においてカソード側電極へテスタを当接させる際の衝撃が吸収される。
上記において、Al層623はSiO2からなるパッシベーション層65との接着性を確保している。
なお、n側電極はAu、Al、V、Sn、Ti、Ni、Cr、Nb、Ta、Mo、W、Hfなどの金属またはこれらの合金やTiN、TaN、WN等の窒化物又はTiC、TaC、WC等の炭化物から選ばれる単層又は多層構造により形成することができる。
これにより、p電極側のパッシベーション膜65はp型層59表面、拡散電極61の側面及び上面の周縁部、バッファ電極62の側面及び上面、並びにn側電極63bの側面及び上面を被覆するように形成される。
同様に、n側電極63の上面とパッシベーション膜65の開口部73との周縁との間にも強固な接着性が確保されている。
この実施例では、パッシベーション層65を成長させる途中でAlからなる金属反射層67を蒸着により形成し、パッシベーション膜65内に金属反射層67を埋設している。
Ni層の上に膜厚0.5μmのAu層を蒸着で形成する。
最後にAuSn半田層83を蒸着により形成して実施例の半導体発光素子51とする。
バリア層81とAuSn半田層83とで接合電極84が構成される。
以上の工程の後、スクライバ等を用いてチップの分離工程を行う。
この実施例ではAuSn半田層83を予め発光素子に作りこんでいるが、このAuSn半田層は、発光素子を配線基板等へマウントするときに必要なものであるため、当該マウント作業時に供給されてもよい。
以下、リードフレーム230のカップ状部233部分を拡大した図(図8)を参照しながら、発光素子51の実装工程を説明する。発光素子51は、サブマウント用基板250を介してリードフレーム230のカップ状部233にマウントされる。基板250はp型領域251及びn型領域252を有し、その表面には接合領域を除いてSiO2からなる絶縁膜260が形成されている。この基板250に対して発光素子51のAuSn半田層83を接合する。これによってAuSn半田層83及びバリア層81を介してバッファ電極62が基板250のp型領域251に接合され、同様にn側電極63もAuSn半田層83及びバリア層81を介して基板250のn側領域252に接合される。接合時にはバリア層81上に形成されたAu層がAuSn半田層83と融合するとともにバリア層81へとSnが拡散することになるが、Snに対する拡散防止機構の異なるTi層とNi層を交互に積層したバリア層81が高いバリア機能を発揮し、電極側へのSnの侵入・拡散を阻害する。これによって、各電極の上面(Au層)とパッシベーション膜65の界面へSnが拡散することによるパッシベーション膜65の損傷、各電極内へSnが侵入・拡散することによる各電極の変形及びそれに伴うパッシベーション膜65の損傷や素子機能への影響を防ぐことができる。
基板250は、発光素子1がマウントされる面と反対の面を接着面として、銀ペースト261によりリードフレーム230のカップ状部233に接着、固定される。その後、ワイヤボンディング工程、封止工程などを経て図7に示す構成のLEDランプ200を得る。
LEDランプ300は発光素子51、基板370、及び反射部材380を備える。発光素子51は、上記LEDランプ200の場合と同様に、電極側を下にして基板370にAuSn半田層で実装される。基板370の表面には配線パターン371が形成されており、かかる配線パターン371と発光素子51のp側電極及びn側電極がバリア層82、AuSn半田層83を介して接合され、各電極の電気的接続が確立される。基板370上には発光素子51を取り囲むように反射部材380が配置される。反射部材380は白色系の樹脂からなり、その表面で発光素子51から放射された光を高効率で反射することができる。
この実施例の半導体発光素子451では、バッファ電極62とn電極63の表面へ第2のバリア層453、455がそれぞれ積層されている。
この第2のバリア層453,455はそれぞれTi/Ni/Ni/Al(合計膜厚0.2μm)とした。バッファ電極62及びn電極63を形成後に、各電極表面へTi層、Ni層、TI層及びAl層を順次蒸着することにより第2のバリア層453,455は形成される。この第2のバリア層453,455を形成した後、パッシベーション膜65が形成される。
このように第2のバリア層453を形成することにより、電極(接合電極84と接触する要素)の表面は、これがないものに比べて、より平坦になる。よって、パッシベーション材料へ開口部72を開口するとき、横方向エッチングの生じることをより確実に防止できる。
同様の作用は、n電極63側においても奏される。
第2のバリア層453,455は各電極62、63の少なくとも上面を被覆しておればよい。
図11に示す半導体発光素子551では、パッシベーション膜565が拡散電極(ITO)61の下方に存在する全ての半導体層(p−GaN層59、MQW層57、n−GaN層55及びバッファ層54)の表面及び側面を被覆し、半導体層の周縁のサファイア基板53の表面を被覆している。これにより、パッシベーション層565、567から表出する部分はバッファ電極(p電極)とn電極のみとなり、両電極はそれらの中央に存在するパッシベーション膜567により確実に絶縁されている。
このように構成された半導体発光素子551によれば、接合電極84をサブマウントへ熱接合するときにAuSn半田材料が残留フラックスに沿って拡散しても、導電性を有する部分(半導体層)がパッシベーション膜で被覆されているので、AuSn半田材料が半導体層へ接することによる不用なショートを確実に防止できる。
図10及び図11に示した半導体発光素子451,551も図7及び図9に示すようにして発光装置へ組付けられる。
11,61 拡散電極
15,65,565,567 パッシベーション膜
21,81 バリア層
23,83 AuSn半田層
24,84 接合電極
33,62 バッファ電極
72,73 開口部
453、455 第2のバリア層
Claims (8)
- 半導体層上に形成された拡散電極と、該拡散電極表面を被覆するパッシベーション膜であって一部に開口部を有するパッシベーション膜と、上面に半田層を有する接合電極とを備える半導体発光素子において、
前記拡散電極表面には、前記パッシベーション膜の開口部の底部に該開口部より大径でかつその表面が前記拡散電極の表面より平坦なバッファ電極が形成され、該バッファ電極の表面に前記バッファ電極を覆う第2のバリア層が形成され、前記バッファ電極へ前記接合電極が該第2のバリア層を介して接続する、ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記バッファ電極は前記拡散電極より厚くかつ前記拡散電極より柔らかい金属材料で形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記接合電極はチタン層とニッケル層とを交互に積層した多層構造を有するバリア層と、該バリア層の上面に積層されるAuSn半田層とを備えてなる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記拡散電極はITOからなり、前記バッファ電極はAu/Niを含む合金からなる、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記拡散電極の表面は凹凸状態である、ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の半導体発光素子。
- 前記第2のバリア層はチタン層とニッケル層とを積層した多層構造である、ことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の半導体発光素子。
- 前記第2のバリア層は、チタン層とニッケル層とを積層した多層構造の上面にアルミニウム層を備える、ことを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記パッシベーション膜は前記拡散電極の下側にある半導体層及び基板表面までを被覆する、ことを特徴とする請求項1〜7に記載の半導体発光素子。
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