JP5045336B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子に関する。詳しくは半導体発光素子のカソード側電極部分の改良に関する。

従来、半導体発光素子の電極をサブマウントなどへ接合する際に金バンプ（Ａｕバンプ）が使用されることが多い。しかしＡｕバンプによる接合には放熱性の問題など克服すべき問題が多くあるため、Ａｕバンプに代えて金錫半田（ＡｕＳｎ半田）を使用することが検討されている。
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。

特開２００３−３４７４８７号公報 特開平１１−１２６８４７号公報 特開平１１―３４０５１４号公報 特開２００３−３４７４８７号公報

ＡｕＳｎ半田に由来するＳｎが電極内に侵入・拡散することによるパッシベーション膜や素子機能への影響を防止するためには、（１）パッシベーション膜と電極上面との界面にＳｎを拡散させないこと、及び（２）Ｓｎを電極下層部まで拡散させないことが要求される。このような要求に応える対策として電極上にバリア層を形成することが有効といえる。バリア層には（１）バリア効果が高いこと、（２）製造コストが低いこと、（３）量産性に優れること（剥離し難いこと）が必要となる。高いバリア効果を得るためにはバリア層を厚くすることが有効とも考えられるが、厚いバリア層では応力によるクラックや剥離が発生し易く、量産性が損なわれる。また、バリア効果の高い白金（Ｐｔ）を材料としたバリア層を使用して高いバリア効果を得ることもできるが、Ｐｔは高価であるため製造コストの大幅な上昇を引き起こす。

本発明者らは以上の問題を克服したバリア層を見出すべく検討を重ねた。まず、バリア層を構成する材料を選定するにあたって、各材料のＳｎに対する浸食特性を調べることにした。具体的には候補材料の代表としてＮｉとＴｉを選択しそのＳｎに対する浸食特性を以下の実験手順で詳細に調べた。
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。

以上の知見に基づき、出願人は以下の構成の発光素子に想到した。
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。

上記の構成によれば、Ｓｎに対する拡散防止機構の異なるチタン層とニッケル層を交互に積層した多層膜がバリア層として機能し、高いバリア効果が得られる。これによって電極側へのＳｎの侵入・拡散を阻止することができ、電極上面とパッシベーション膜の界面へＳｎが拡散することによるパッシベーション膜の損傷、電極内へＳｎが侵入・拡散することによる電極の変形及びそれに伴うパッシベーション膜の損傷や素子機能への影響を防ぐことができる。また、バリア層を多層構造としたことによって、バリア層を構成する各層を薄くしたとしても高いバリア効果を発揮させることが可能となる。バリア層を構成する各層が薄くなればバリア層内に生ずる応力が低減し、クラックの発生や剥離に対して強いバリア層となる。このようなバリア層を備えた本発明の半導体発光素子は量産に適したものである。一方、多層膜の材料として比較的安価なチタン及びニッケルを使用することで製造コストの上昇が抑えられる。このように上記構成は製造コスト面においても有利なものといえる。

より具体的な発光素子１の構成を図２に示す。
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。

本発明者らは上記構成の半導体発光素子について更に検討を進めたところ、下記の課題に気が付いた。拡散電極１１を薄膜化し、例えばＩＴＯなどの金属酸化膜としたとき、その表面に平坦性を確保することが困難である。また、ｐ−ＧａＮ層１１の上面に凹凸を設けて光取出し効率の向上を図る場合もある。かかる発光素子ではｐ−ＧａＮ層１１の凹凸が拡散電極１１にも反映されてしまう。
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。

この発明は上記課題を解決するものであり、その第１の局面は次のように規定される。即ち、
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。

このように規定される第１の局面の半導体発光素子によれば、拡散電極の表面にバッファ電極が形成されて、このバッファ電極上においてパッシベーション膜にバッファ電極よりも小さな開口部が形成される。ここにバッファ電極の表面は平坦に形成されているため、バッファ電極とパッシベーション膜との間には密着性が確保され、開口部をエッチングするときも両者の界面から横方向エッチングが殆ど生じない。
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。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
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。

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
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。

この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
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。

この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
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。

かかる第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とすることが好ましい（第６の局面参照）。かかる第２のバリア層を接合電極のバリア層と同様なＮｉ／Ｔｉの積層構造とすることにより、仮に接合電極バリア層に亀裂が入ったとしてもこの第２のバリア層でＳｎの拡散を効果的に抑制できる。
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。

この発明の第８の局面は次のように規定される。即ち、
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。

以下、図３を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、図３において、比較容易のため、図２と同一の要素には同一の符号を付してある。
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Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（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、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−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は導電性の低いｐ型III族窒化物系化合物半導体層９へ電流を均等に分配するものである。拡散電極１１の材料はｐ型III族窒化物系化合物半導体層９に対するオーミック性を考慮して適宜選択されるものであるが、例えば、拡散電極１１としてＩＴＯ、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の金属酸化物を用いることができる。また、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｒｅなどの金属またはこれらの合金を用いることができる。拡散電極１１において発光層７からの光を反射させるときには、Ｐｔ、Ａｇ若しくはＲｈ又はこれらの合金により拡散電極１１を形成することが好ましい。
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。

バッファ電極３２は拡散電極１１及び後述のバリア層２１に対するオーミック性を備え、汎用的な半導体製造工程における電極形成方法を実行してその上面が平坦になる材料を選択する。かかる材料として、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｒｅなどの金属またはこれらの合金を用いることができる。
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は金属酸化物や金属窒化物、或いはガラス等によって形成される。パッシベーション膜の代表的な形成材料として、酸化硅素（ＳｉＯ、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ_x Ｏ_y など）、窒化硅素（ＳｉＮ、Ｓｉ₂ Ｎ₃ 、Ｓｉ_x Ｎ_y など）、酸化チタン（ＴｉＯ、ＴｉＯ₂ 、Ｔｉ_x Ｏ_y など）、窒化チタン（ＴｉＮ、ＴｉＮ₂ 、Ｔｉ_x Ｎ_y など）を例示することができる。これらの材料を複合させた組成物を用いてもよい。また、パッシベーション膜を複層構造にしてもよい。
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。

拡散電極１１として透明導電膜を採用したとき、パッシベーション膜２１上に金属反射膜１７を備えることができる。当該構成では拡散電極１１の上方に金属反射膜１７が備えられることになり、発光層７で発光した光は拡散電極１１を透過した後、金属反射膜１７で反射される。これによって基板３側に向かう光が生成する。一方、当該構成では拡散電極１１と金属反射膜１７との間にパッシベーション膜１５が介在していることから、拡散電極１１と金属反射膜１７の界面反応が防止される。これによって拡散電極１１の透過率及び金属反射膜１７の反射率の低下を防止することができ、光の取り出し効率が向上する。通電した場合には、バッファ電極３２と拡散電極１１との接触部からのみ電流が拡散電極１１に流れ込むことになるから、金属反射膜１７のエレクトロマイグレーション発生の可能性を大幅に低減することができる。金属反射膜１７のエレクトロマイグレーション発生を一層防止するため、金属反射膜１７とバリア層２１との間にもパッシベーション膜１５を形成することが好ましい。特に、パッシベーション膜１５の中に金属反射膜１７が埋設されるように構成すれば、電流による金属反射膜１７の金属原子のエレクトロマイグレーションを完全に防止することができ、素子の信頼性が向上する。

金属反射膜１７の形成材料は、半導体層において発光した光に対する反射率が高い金属であれば任意である。好ましい材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀合金、アルミニウム合金、銀とアルミニウムを主成分に含む合金などである。中でもアルミニウムはパッシベーション膜との接着性が良好であり、好ましい材料といえる。金属反射膜１７の形成方法は特に限定されないが、好ましくはスパッタ又は真空蒸着である。

バッファ電極３２上には接合電極２４が形成される。接合電極２４はその上面を半田層としている。
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。

多層膜を構成するＴｉ層とＮｉ層の繰り返し数は、高いバリア効果が発揮される限り特に限定されない。好ましくは繰り返し数を２〜５とする。繰り返し数が少なすぎると、期待されるバリア効果が得られない。一方で繰り返し数が多すぎれば製造コストの上昇や順方向電圧（Ｖｆ）の増加を引き起こすことから好ましくない。
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。

Ｓｎに対する浸食特性の異なるＴｉ層とＮｉ層を交互に積層した多層構造を備えることによって本発明のバリア層２１は高いバリア効果を発揮する。ここで、Ｎｉのように拡散効果によってＳｎの侵入を阻止する層（以下、「第１の層」ともいう）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（以下、「第２の層」ともいう）とを交互に繰り返し積層した多層膜によれば、Ｔｉ層とＮｉ層を組み合わせた多層構造のバリア層と同様の高いバリア効果の発揮を期待できる。そこで例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルビジウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）の中からＳｎに対するバリア効果がＮｉと同等又は類似の材料を第１の層の材料として選択するとともに、Ｓｎに対するバリア効果がＴｉと同等又は類似の材料を第２の層の材料として選択し、選択された材料を用いて多層構造のバリア層を構築することができる。
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。

バリア層２１の上にＡｕ層を形成することが好ましい。この場合、当該Ａｕ層の上面が接合面となる。通常は、接合時の熱によって当該Ａｕ層はＡｕＳｎ半田層と融合し、その結果、見かけ上バリア層の上にはＡｕＳｎ半田層が存在することになる。これにより、バリア層２１とＡｕＳｎ半田層２３との間に良好な接着性が確保できる。
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。

接合電極の上面を構成する半田層としてＡｕＳｎの他に、ＳｎＡｇ等の二元系半田、ＳｎＡｇＣｕ半田等の三元系半田を用いることができる。

以下、本発明の実施例を用いて、本発明の構成をより詳細に説明する。図４は実施例の半導体発光素子５１の構成を模式的に示した図である。
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

基板５３の上にはバッファ層５４を介してｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層５５が形成される。基板５３にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を基板材料として用いることができる。バッファ層５４はＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成したが、これに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法（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、電子シャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層５４を省略することもできる。また、半導体素子形成後、基板とバッファ層５４を必要に応じて除去することにしてもよい。

この例ではｎ型層５５をＧａＮで形成したが、ＧａＮに代えてＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮを用いることもできる。また、ｎ型層５５にはｎ型不純物としてＳｉをドープすることにしたが、ｎ型不純物としてＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
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が、ｐ型層５９の側にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含んでいてもよい。発光する層を含む層５７中に注入された電子がｐ型層５９に拡散するのを効果的に防止するためである。
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。

ｐ型層５９を形成した後、ｐ型層５９、発光する層を含む層５７、ｎ型層５５のそれぞれ一部をエッチングにより除去し、ｎ型層５５の一部を表出させる。続いて、ｐ型層５９上にＩＴＯからなる拡散電極６１をスパッタ法又は蒸着法で形成する。この拡散電極６１の膜厚は３００ｎｍである。
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ＳｉＯ_２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。

ｎ側電極６３はｎ型層５５側から順にＶ層、Ａｌ層、Ｔｉ層、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｕ層が積層した構成を有し、蒸着によりｎ型層５５上に形成される。その後、周知の手段により合金化する。
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。

次に、ＳｉＯ_２からなるパッシベーション膜（保護膜）６５を形成する。まず、素子の表面全体へＳｉＯ_２をプラズマＣＶＤ法で形成する。そして、レジストマスクを積層して、バッファ電極６２及びｎ電極６３に対向する位置をエッチングして開口部７２、７３を形成する。開口部７２はバッファ電極６２より小径に形成されている。これにより、開口部７２の周縁とバッファ電極６２の上面と接続の接続は維持される。バッファ電極６２の上面は平坦でありかつＡｌで形成されているため、ＳｉＯ_２からなるパッシベーション膜６５と強固に接着している。よって、開口部７２を形成するためにパッシベーション膜６５をエッチングするときにも、パッシベーション膜６５とバッファ層６５との界面で横方向のエッチングは殆ど生じない。パッシベーション膜６５とバッファ電極６２の上面との間に十分な接触面積を確保するため、バッファ電極６２の中心と開口部７２の中心とを一致させることが好ましい。
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。

続いてパッシベーション膜６５にバリア層８１を形成する。まず、電極形成面側において、バリア層８１を形成する領域以外をレジストでマスクする。バリア層８１はＴｉ層とＮｉ層が交互に積層された構造を有し、次の手順で形成される。まず、レジストから露出した領域に所定膜厚のＴｉ層を蒸着（ＥＢ蒸着など）、スパッタリングなどで形成する。次にＴｉ層の上に所定膜厚のＮｉ層を同様に形成する。このＴｉ層の形成及びＮｉ層の形成を必要な回数だけ繰り返す（例えば１回〜５回）。この実施例では各層の形成工程をそれぞれ２回行うことにした尚、各層の膜厚は電極側から順に０．１５μｍ（Ｔｉ層）、０．１μｍ（Ｎｉ層）、０．１５μｍ（Ｔｉ層）、０．１μｍ（Ｎｉ層）とした。
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。

図６は実施例の半導体発光素子５１の電極構造を示す平面図である。この実施例では、ｎ電極６３を素子の中央部分まで伸ばし、ｎ型層５５の電流密度の均一化を図っている。
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。

次に、発光素子５１を用いて発光装置を構成した例を説明する。図７に示すのは、発光素子５１を内蔵するＬＥＤランプ２００である。ＬＥＤランプ２００は大別して発光素子５１、リードフレーム２３０及び２３１、サブマウント用基板２５０、並びに封止樹脂２３５から構成される。
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ＳｉＯ_２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。

発光素子１を用いて構成される他のタイプの発光装置（ＬＥＤランプ３００）を図９に示す。ＬＥＤランプ３００はＳＭＤ（Surface Mount device）タイプのＬＥＤランプである。尚、上記のＬＥＤランプ２００と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
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。

図１０に他の実施例の半導体発光素子４５１の構成を示す。図１０において図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。
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。

この実施例のように、第２のバリア層４５３，４５５はＮｉ層とＴｉ層とを積層した構成であるため、図１で説明したようにＳｎに対する優れたバリア機能を奏する。最上層のアルミ層はパッシベーション層に対する接着性を確保している。
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に他の実施例の半導体発光素子５５１の断面図を示す。図１０と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。
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。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

（ａ）はＡｕＳｎとＮｉの反応性を説明する模式図である。（ｂ）はＡｕＳｎとＴｉの反応性を説明する模式図である。（ｃ）はＴｉ層とＮｉ層の繰り返し多層構造のバリア層によるバリア効果を説明する模式図である。 検討例の半導体発光素子の層構成を示す模式図である。 この発明の半導体発光素子の層構成を示す模式図である。 実施例の半導体発光素子の層構成を示す模式図である。 バッファ電極の構成を示す模式図である。 実施例の半導体発光素子の電極構造を示す平面図である。 発光素子を内蔵するＬＥＤランプの断面図である。 同ＬＥＤランプの部分拡大断面図である。 発光素子を内蔵するＳＭＤタイプのＬＥＤランプの断面図である。 他の実施例の半導体発光素子の層構成を示す模式図である。 他の実施例の半導体発光素子の層構成を示す模式図である。

符号の説明

１，３１，５１，４５１，５５１ 半導体発光素子
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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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