JP5178383B2 - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法、ランプ - Google Patents
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Description
また、従来の半導体発光素子では、耐食性が不十分であり、耐食性を向上させることが要求されていた。
(1)基板と、前記基板上に形成された発光層を含む積層半導体層と、前記積層半導体層の上面に形成された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面上に形成された他方の電極とを具備する半導体発光素子であって、前記一方の電極または前記他方の電極の少なくともいずれか一方が、上面に接合凹部を有する透光性電極と、前記接合凹部を覆うように形成された接合層と、前記接合層を覆うように形成され、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面が外周部に形成されているボンディングパッド電極とを備えていることを特徴とする半導体発光素子。
(4)前記ボンディングパッド電極が、前記接合層を覆うように形成された金属反射層と、前記金属反射層を覆うように形成されたボンディング層とからなり、前記金属反射層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Tiのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものであることを特徴とする(3)に記載の半導体発光素子。
(7)前記透光性電極の上面における前記接合凹部の形成されていない領域を覆うように透明保護膜が形成されており、前記接合層の外縁部および前記ボンディングパッド電極の外縁部が、前記透明保護膜上に配置されていることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(9)前記積層半導体層が、窒化ガリウム系半導体を主体として構成されていることを特徴とする(1)〜(8)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(12)(10)に記載のランプが組み込まれている電子機器。
(13)(12)に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
しかも、本発明の半導体発光素子によれば、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面を外周部に有するボンディングパッド電極が、接合層を覆うように形成されているので、ボンディングパッド電極の外周部と、ボンディングパッド電極の外周部の下面との接触面積が十分に確保されたものとなり、優れた接合性が得られるとともに、ボンディングパッド電極の外周部とその下面との間を介して、外部から接合層へ空気や水分が侵入することを効果的に防止することができ、優れた耐食性が得られるものとなる。
図1〜図4は、本発明の半導体発光素子の一例を示した図であって、図1は半導体発光素子の断面模式図であり、図2は図1に示す半導体発光素子の平面模式図であり、図3は図1に示す半導体発光素子を構成する積層半導体層の拡大断面模式図であり、図4は図1に示す半導体発光素子を構成するp型電極の拡大断面模式図である。
本実施形態の半導体発光素子1は、図1に示すように、基板101と、基板101上に形成された積層半導体層20と、積層半導体層20の上面106cに形成されたp型電極111(一方の電極)と、積層半導体層20の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面104c上に形成されたn型電極108(他方の電極)とを備えている。
基板101としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板であれば、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、c面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
なお、上記基板の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こす酸化物基板や金属基板等を用いた場合、アンモニアを使用せずにバッファ層102を成膜することができ好ましい。
本実施形態の半導体発光素子1の積層半導体層20は、III族窒化物半導体からなるものであり、図1に示すように、基板101上に、バッファ層102、下地層103、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層がこの順で積層されてなるものである。n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層は、図3に示すように、それぞれ複数の半導体層から構成されている。
バッファ層102は、基板101と下地層103との格子定数の違いを緩和し、基板101の(0001)C面上にC軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。なお、本発明においては、バッファ層102を形成することが好ましいが、バッファ層102がなくても良い。
バッファ層102の厚みは、例えば、0.01〜0.5μmのものとすることができる。バッファ層102の厚みが0.01μm未満であると、バッファ層102による基板101と下地層103との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層102の厚みが0.5μmを超えると、バッファ層102としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層102の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
また、バッファ層102は、III族窒化物半導体からなる六方晶系の結晶構造を持つものであってもよい。また、バッファ層102をなすIII族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶(多結晶)とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
バッファ層102の上に単結晶の下地層103を積層すると、より一層結晶性の良い下地層103が積層できる。下地層103としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)が挙げられるが、AlxGa1−xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層103を形成できるため好ましい。
下地層103の膜厚は0.1μm以上が好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlxGa1−xN層が得られやすい。
下地層103の結晶性を良くするためには、下地層103は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、p型あるいはn型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することが出来る。
図3に示すように、n型半導体層104は、nコンタクト層104aとnクラッド層104bとから構成されるのが好ましい。なお、nコンタクト層104aはnクラッド層104bを兼ねることも可能である。
nコンタクト層104aは、n型電極108を設けるための層である。nコンタクト層104aとしては、AlxGa1−xN層(0≦x<1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
nコンタクト層104aの膜厚は、0.5〜5μmとされることが好ましく、1〜3μmの範囲に設定することがより好ましい。nコンタクト層104aの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
nクラッド層104bの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは0.005〜0.5μmであり、より好ましくは0.005〜0.1μmである。nクラッド層104bのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3が好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
発光層105は、図3に示すように、多重量子井戸構造を有している。図3に示す発光層105の多重量子井戸構造では、Ga1−yInyN(0<y<0.4)を井戸層105bとし、井戸層105bよりバンドギャップエネルギーが大きいAlzGa1−zN(0≦z<0.3)を障壁層105aとしている。井戸層105bおよび障壁層105aには、不純物がドープされていてもよいし、されていなくてもよい。井戸層105bの膜厚は、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば1〜10nmとすることができ、発光出力の点で好ましくは2〜6nmとされる。なお、発光層105は、多重量子井戸構造であってもよいが、単一量子井戸構造であってもよい。
図3に示すように、p型半導体層106は、pクラッド層106aとpコンタクト層106bとから構成されている。なお、pコンタクト層106bがpクラッド層106aを兼ねることも可能である。
pクラッド層106aは、発光層105へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。pクラッド層106aとしては、発光層105のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層105へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AlxGa1−xN(0<x≦0.4)のものが挙げられる。pクラッド層106aが、このようなAlGaNからなると、発光層105へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
また、pクラッド層106aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
pコンタクト層106bは、p型不純物(ドーパント)を1×1018〜1×1021/cm3の濃度、好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはMgが挙げられる。
pコンタクト層106bの膜厚は、特に限定されないが、0.01〜0.5μmが好ましく、より好ましくは0.05〜0.2μmである。pコンタクト層106bの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
p型電極111は、図4に示すように、透光性電極109と、接合層110と、ボンディングパッド電極120とを備えている。図4に示すように、透光性電極109の上面109cには接合凹部109aが設けられている。また、図1に示すように、透光性電極109の上面109cにおける接合凹部109aの形成されていない領域には、透光性電極109を覆うように透明保護膜10aが形成されている。言い換えると、接合凹部109aの形成されている領域は、透明保護膜10aの一部が開口されてなる開口部10dとされている。開口部10dから露出された接合凹部109a上には、接合凹部109aを覆うように接合層110が形成されており、接合層110上には接合層110を覆うように、ボンディングパッド電極120が形成されている。そして、図4に示すように、接合層110の外縁部およびボンディングパッド電極120(金属反射層117およびボンディング層119)の外縁部が、透明保護膜10a上に配置されている。また、ボンディングパッド電極120は、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに備えている。そして、本実施形態の半導体発光素子1においては、図4に示すように、ボンディングパッド電極120の外縁部が、縁部保護膜10bに覆われている。
透光性電極109は、図1に示すように、p型半導体層106の上面106cに設けられており、図4に示すように、上面109cに接合凹部109aを有している。透光性電極109の接合凹部109aの深さは、特に限定されないが、透光性電極109の厚みの1/10程度の寸法であることが好ましい。また、接合凹部109aの平面形状は、円形状、多角形状など任意の形状とすることができ、特に限定されないが、ボンディング作業のしやすいものとするために、図2に示すように、円形状であることが好ましい。
また、透光性電極109の接合凹部109aは、透光性電極109上のどこに形成してもよい。例えば、n型電極108から最も遠い位置に形成してもよいし、半導体発光素子1の中心に形成してもよい。しかし、あまりにもn型電極108に近接した位置に形成すると、接合凹部109a上に形成されるボンディングパッド電極120にワイヤをボンディングした際に、ワイヤ間、ボール間のショートを生じてしまうため好ましくない。
また、導電性の酸化物としては、ITO(酸化インジウム錫(In2O3−SnO2))、IZO(酸化インジウム亜鉛(In2O3−ZnO))、AZO(酸化アルミニウム亜鉛(ZnO−Al2O3))、GZO(酸化ガリウム亜鉛(ZnO−Ga2O3))、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等を用いることが好ましい。
透光性電極109が、結晶化されたIZOからなるものである場合、ビックスバイト結晶構造のIn2O3結晶を含むIZOであってもよいし、六方晶構造のIn2O3結晶を含むIZOであってもよい。特に、六方晶構造のIn2O3結晶を含むIZOがよい。結晶化したIZO膜は、アモルファス状態のIZO膜に比べて、接合層110やp型半導体層106との密着性が良いため、非常に好ましい。
また、IZO膜の膜厚は、低比抵抗、高光透過率を得ることができる35nm〜10000nm(10μm)の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、IZO膜の膜厚は1000nm(1μm)以下であることが好ましい。
接合層110は、透光性電極109に対するボンディングパッド電極120の接合強度を高めるために、透光性電極109とボンディングパッド電極120との間に積層される。図4に示すように、接合層110は、接合凹部109a内および透明保護膜10aの端部10cを覆うように連続して形成されている。そして、本実施形態においては、透光性電極109の接合凹部109a内および透明保護膜10aの開口部10d内に、接合層110が埋め込まれるように形成されていることにより、透光性電極109と接合層110との高い接合力が得られるようになっている。
ボンディングパッド電極120は、金属反射層117とボンディング層119とが、透光性電極109側から順に積層された積層体からなる。なお、ボンディングパッド電極120は、ボンディング層119のみからなる単層構造や金属反射層117のみからなる単層構造であってもよいし、金属反射層117とボンディング層119との間にバリア層を挿入して、三層構造としたものであってもよい。なお、接合層110、金属反射層117、ボンディング層119、バリヤ層を構成する金属元素においては、同一の金属元素を含んでいてもよいし、それぞれ異なる金属元素の組み合わせであってもよい。
金属反射層117は接合層110を覆うように形成されている。また、金属反射層117の外周部には、外側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面117cが形成されている。したがって、金属反射層117は、接合層110の傾斜面110cの透明保護膜10a側の最先端部、すなわち接合層110を平面視したときの輪郭線を形づくる境界部上を完全に覆うように形成されている。つまり、金属反射層117は、平面視したときに接合層110を覆って、更に接合層110の外側にまで張り出すように形成されており、接合層110のいかなる部分も金属反射層117の下から露出しないようにされている。
また、金属反射層117は、最大厚さが20〜3000nmであることが望ましい。金属反射層117の厚みが上記範囲よりも薄いと、充分に反射の効果が得らない場合がある。また、金属反射層117の厚みが上記範囲よりも厚い場合、特に利点は生じず、工程時間の長時間化と材料の無駄を生じるのみである。金属反射層117の厚みは、更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
ボンディング層119は、金属反射層117を覆うように形成されている。また、ボンディング層119の外周部(すなわちボンディングパッド電極120の外周部120d)には、外側に向けて膜厚が漸次薄くなるような傾斜面119cが形成されている。したがって、ボンディング層119は、金属反射層117の傾斜面117cの透明保護膜10a側の最先端部、すなわち金属反射層117を平面視したときの輪郭線を形づくる境界部上を完全に覆うように形成されている。つまり、ボンディング層119は、平面視したときに金属反射層117を覆って、更に金属反射層117の外側にまで張り出すように形成されており、金属反射層117のいかなる部分もボンディング層119の下から露出しないようにされている。
また、ボンディング層119の最大厚みは、50nm以上2000nm以下の範囲のであることが好ましく、更に望ましくは100nm以上1500nm以下である。ボンディング層119の最大厚みが薄すぎるとボンディングボールとの密着性が不十分となる場合がある。また、ボンディング層119の最大厚みを上記範囲よりも厚くしても特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみである。
バリア層は、金属反射層117とボンディング層119との間に配置され、ボンディングパッド電極120全体の強度を強化するものである。バリア層は、比較的強固な金属材料からなるものとされるか、または、充分に厚い膜厚を有するものとされる。バリア層の材料としては、Ti、CrまたはAlなどを用いることできるが、強度に優れたTiを用いることが望ましい。また、バリア層の最大厚さは20〜3000nmであることが望ましい。バリア層の厚みが薄すぎると充分な強度強化の効果が得られない場合がある。また、バリア層の厚みが厚すぎても特に利点は生ぜず、コスト増大を招くのみである。バリア層の厚みは、更に望ましくは、50〜1000nmであり、最も望ましいのは100〜500nmである。
透明保護膜10aは、透光性電極109および接合層110を保護するものである。透明保護膜10aは、図1および図2に示すように、透光性電極109の上面109cにおける接合凹部109aの形成されていない領域を覆うように形成されており、接合凹部109aの形成されている領域が開口部10dとされている。本実施形態においては、図4に示すように、接合層110が開口部10dの内壁面に接して形成されているとともに、接合層110の外縁部が透明保護膜10a上に接して配置されており、透明保護膜10aによって、接合層110の透明保護膜10aに接している部分おける空気または水分の接触が防止されている。また、本実施形態においては、図4に示すように、ボンディングパッド電極120を構成する金属反射層117およびボンディング層119の外縁部が、透明保護膜10a上に接して配置されており、透明保護膜10aとボンディングパッド電極120とによって、透光性電極109に接していない接合層110の外面全面を取り囲んでおり、接合層110と空気または水分との接触が効果的に防止されている。
透明保護膜10aの厚みは、20〜500nmとすることが好ましく、50〜300nmとすることがより好ましい。透明保護膜10aの厚みが上記範囲未満であると、透光性電極109および接合層110を保護する効果が十分に得られない恐れがある。また、透明保護膜10aの厚みが上記範囲を超えると、透明性が低下して、光の取り出し性に支障を来たす場合がある。また、透明保護膜10aの厚みが上記範囲を超えると、開口部10dの深さと接合凹部109aの深さとを合わせた深さが深くなり、開口部10dの内壁面と接合層110との密着性に支障を来たす恐れが生じる。
縁部保護膜10bは、接合層110と空気または水分との接触を防止するとともに、半導体発光素子1からのボンディングパッド電極120の剥離を防止してボンディングパッド電極120の接合力を向上させるものである。縁部保護膜10bは、図2に示すように、平面視したときにボンディングパッド電極120の中央部を露出させる略ドーナッツ状の形状とされている。また、縁部保護膜10bは、図2および図4に示すように、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分に跨って配置されており、ボンディングパッド電極120の外縁部を覆っている。したがって、本実施形態においては、図4に示すように、ボンディングパッド電極120の外縁部は、透明保護膜10aと縁部保護膜10bとの間に挟みこまれている。
n型電極108は、図1に示すように、n型半導体層104の露出面104cに形成されている。n型半導体層104の露出面104cは、エッチング等の手段によって発光層105およびp半導体層106の一部を切り欠き除去して形成されたものである。
n型電極108は、図2に示すように、平面視したときに、円形状とされているが、このような形状に限定されるわけではなく、多角形状など任意の形状とすることができる。また、n型電極108はボンディングパットを兼ねており、ボンディングワイヤを接続することができる構成とされている。なお、n型電極108としては、周知の各種組成や構造を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
次に、本発明の半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、図1に示す半導体発光素子1の製造方法である。
図1に示す半導体発光素子1を製造するには、まず、基板101上に積層半導体層20を形成する。積層半導体層20は、MOCVD法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、MOCVD法よりも優れた結晶性を有するものが得られる。
本実施形態において積層半導体層20を形成するには、まず、サファイア基板等の基板101を用意し、基板101の前処理を施す。基板101の前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板101を配置し、バッファ層102を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板101をArやN2のプラズマ中に曝す事によって上面を洗浄する前処理を行なってもよい。ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板101に作用させることで、基板101の上面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。
また、スパッタ法によって、柱状結晶(多結晶)有するバッファ層102を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が1%〜50%、望ましくは25%となるようにすることが望ましい。なお、バッファ層102は、上述したスパッタ法だけでなく、MOCVD法で形成することもできる。
次に、発光層105を形成する。発光層105の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法を用いてもよいが、特にMOCVD法を用いることが好ましい。具体的には、障壁層105aと井戸層105bとを交互に繰り返して積層し、且つ、n型半導体層104側及びp型半導体層106側に障壁層105aが配される順で積層すればよい。
また、p型半導体層106の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法でもよく、pクラッド層106aとpコンタクト層106bとを順次積層すればよい。
このようにして積層半導体層20の形成を形成した後、n型電極108とp型電極111とを形成する。
<n型電極形成工程>
まず、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングし、所定の領域の積層半導体層20の一部をエッチングしてnコンタクト層104aの一部を露出させる。次に、スパッタ法などにより、nコンタクト層104aの露出面104cにn型電極108を形成する。
次に、図5を用いて、p型電極111を製造する工程について説明する。図5は、p型電極を製造する工程を説明するための工程図であり、p型電極111の製造される領域の一部のみを拡大して示した拡大断面図である。
図5(a)に示すように、本実施形態のp型電極111を製造するには、まず、p型半導体層106上に透光性電極109を形成する。透光性電極109は、n型電極108の形成されたnコンタクト層104aの露出面104cなど、透光性電極109の形成される領域以外の領域を覆うマスクを形成した後、p型半導体層106上にスパッタ法などの公知の方法を用いて形成し、その後、マスクを除去する方法などにより形成される。なお、透光性電極109は、n型電極108を形成した後に形成してもよいが、n型電極108を形成するための積層半導体層20のエッチングの前に形成してもよい。
次に、ボンディングパッド電極120を形成する部分に対応する部分のレジスト21を除去することによって、透明保護膜10aの形成された透光性電極109の上面109cに、底面に向かって断面積が徐々に広くなる内壁形状を有する開口部23aを備えた図5(b)に示す逆テーパー型のマスク23を形成する。逆テーパー型のマスク23を形成する方法としては、n型フォトレジストを用いる方法やイメージ反転型フォトレジストを用いる方法などが挙げられる。本実施形態では、図6を用いて、イメージ反転型フォトレジストを用いて図5(b)に示すマスクを形成する方法を説明する。図6は、図5(b)に示すマスクの製造工程を説明するための工程図であり、1つのp型電極111の形成される領域のみを示した拡大断面図である。
次に、図6(a)に示すように、レジスト21上方の所定の位置をカバーするようにマスク25を配置し、図6(a)において矢印で示すように、マスク25側からレジスト21側へ所定の強さ及び波長の光を照射する。このことにより、光が照射された部分のレジスト21を光反応させて、可溶部22とする。この光反応は光の強さに応じて進行するので、光照射面側では光反応の進行が早く、透光性電極109側では光反応の進行が遅くなる。そのため、図6(a)に示すように、可溶部22は、断面視したときに、側面が下方に向かうほど内側に後退した逆テーパー形状(逆傾斜形状)となるように形成される。また、マスク25でカバーされた部分のレジスト21は、不溶性のレジスト(不溶部)21として残され、断面視したときに側面が上方に向かうほど内側に後退したテーパー形状(傾斜形状)となるように形成される。
その後、図6(c)に示すように、マスクを用いずに、不溶性のレジスト21および架橋高分子からなる硬化部(マスク)23の表面側に所定の強さ及び波長の光を照射することにより、図6(a)を用いて説明した光反応により可溶部22に変換されなかった不溶性のレジスト21を光反応させて、可溶部22とする。
最後に、所定の現像液を用いて、図6(c)に示す可溶部22を溶解除去することにより、図6(d)に示すように、側面が下方に向かうほど内側に後退した開口部23aを有する逆テーパー形状(逆傾斜形状)の架橋高分子からなるマスク23が得られる。
ここでエッチングされる透光性電極109が、例えば、アモルファス状態のIZO膜である場合、エッチング性に優れ、容易に特定形状の接合凹部109aを形成することができる。アモルファス状態のIZO膜は、周知のエッチング液(例えば、ITO−07Nエッチング液(関東化学社製))を用いて容易に精度良くエッチングすることが可能である。また、アモルファス状態のIZO膜のエッチングは、ドライエッチング装置を用いて行なっても良い。このときのエッチングガスとしては、Cl2、SiCl4、BCl3等を用いることができる。
本実施形態においては、ボンディングパッド電極120が、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cが外周部120dに形成されているものであるので、縁部保護膜10bがボンディングパッド電極120の傾斜面119cに容易に均一な厚みで形成されるものとなる。このことにより、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分上に縁部保護膜10bの形成されない部分が生じることが防止され、ボンディングパッド電極120の外縁部(輪郭線)と透明保護膜10aとの継ぎ目となる部分に跨る縁部保護膜10bを均一な膜厚で容易に密着させて形成できる。
このようにして、図1〜図3に示すp型電極111を備える半導体発光素子1が形成される。
しかも、本実施形態の半導体発光素子1によれば、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに有するボンディングパッド電極120が、接合層110を覆うように形成されているので、接合層110への外部からの空気や水分の侵入を効果的に防止することができ、優れた耐食性が得られるものとなる。
図7は、本発明の半導体発光素子の他の例を示した図であって、半導体発光素子の断面模式図である。図7に示す本実施形態の半導体発光素子2が、図1に示す半導体発光素子1と異なるところは、n型電極108のみであり、n型電極108以外は図1に示す半導体発光素子1と同様とされている。したがって、実施形態1と同じ部材には同じ符号付し、説明を省略する。
さらに、図7に示す本実施形態の半導体発光素子2においては、n型電極108が、上面109cに接合凹部109aを有する透光性電極109と、接合凹部109aを覆うように形成された接合層110と、接合層110を覆うように形成され、外周部120dに外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cが形成されているボンディングパッド電極120とを備えているので、接合層110によって透光性電極109とボンディングパッド電極120との十分に高い接合力が得られ、n型電極108の接合性に優れたものとなる。
図8は、本発明の半導体発光素子の他の例を示した図であって、半導体発光素子を構成するp型電極の拡大断面模式図である。図8に示す本実施形態の半導体発光素子が、図1に示す半導体発光素子1と異なるところは、透明保護膜10aおよび縁部保護膜10bが形成されていないことのみであり、それ以外は図1に示す半導体発光素子1と同様とされている。したがって、実施形態1と同じ部材には同じ符号付し、説明を省略する。
また、本実施形態の半導体発光素子を構成するp型電極112は、透明保護膜10aおよび縁部保護膜10bを形成しないことを除き、図1に示すp型電極111と同様にして形成できる。
しかも、図8に示す半導体発光素子においても、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面119cを外周部120dに有するボンディングパッド電極120が、接合層110を覆うように形成されているので、接合層110への外部からの空気や水分の侵入を効果的に防止することができ、優れた耐食性が得られるものとなる。
図9は、本発明の半導体発光素子の他の例を示した図であって、半導体発光素子の断面模式図である。図9に示す本実施形態の半導体発光素子1aが、図1に示す半導体発光素子1と異なるところは、透明保護膜10aが形成されておらず、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の中央部を露出させる領域を除く、透光性電極109の上面109c全面に上面保護膜10が設けられているところである。それ以外は図1に示す半導体発光素子1と同様とされている。したがって、実施形態1と同じ部材には同じ符号付し、説明を省略する。
上面保護膜10は、図1に示す半導体発光素子1における透明保護膜10aと同様の材料からなる同様の厚みを有するものとすることができる。
その後、以下に示すようにしてp型電極111aを製造する。図10は、p型電極を製造する工程を説明するための工程図であり、p型電極111aの製造される領域の一部のみを拡大して示した拡大断面図である。
図10(a)に示すように、本実施形態のp型電極111aを製造するには、まず、図1に示す半導体発光素子1と同様にして、p型半導体層106上に透光性電極109を形成する。
また、本実施形態の半導体発光素子1aにおいては、平面視したときに、ボンディングパッド電極120の中央部を露出させる領域を除く、透光性電極109の上面109c全面に上面保護膜10が設けられているので、より一層優れた耐食性および接合性が得られる。
図11は、本発明のランプの一例を示す断面概略図である。図11に示すように、本実施形態のランプ3は、砲弾型であり、半導体発光素子として図1に示す本発明の半導体発光素子1が実装されたものである。なお、ランプ3は、例えば、半導体発光素子1と蛍光体とを組み合わせてなるものであり、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、半導体発光素子1と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変えることができることが知られているが、このような技術を本実施形態のランプにおいても何ら制限されることなく採用することが可能である。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
(実施例1)
図1〜図3に示す窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子を次のようにして製造した。
まず、サファイアからなる基板101上に、AlNからなるバッファ層102を介して、厚さ8μmのアンドープGaNからなる下地層103を形成した。次に、厚さ2μmのSiドープn型GaNからなるnコンタクト層104a、厚さ250nmのn型In0.1Ga0.9Nからなるnクラッド層104bを形成した。その後、厚さ16nmのSiドープGaN障壁層および厚さ2.5nmのIn0.2Ga0.8N井戸層を5回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層105を形成した。さらに、厚さ10nmのMgドープp型Al0.07Ga0.93Nからなるpクラッド層106a、厚さ150nmのMgドープp型GaNからなるpコンタクト層106bを順に形成した。
なお、積層半導体層20の形成は、MOCVD法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
このようにして積層半導体層20を形成した後、フォトリソグラフィーの手法によってパターニングし、所定の領域の積層半導体層20の一部をエッチングしてnコンタクト層104aの一部を露出させた。次に、スパッタ法により、nコンタクト層104aの露出面104cに順次Ti/Pt/Auからなるn型電極108を形成した。
次に、イメージ反転型フォトレジストとしてAZ5200NJ(製品名:AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)を用いて、透明保護膜10aの形成された透光性電極109の上面に、底面に向かって断面積が徐々に広くなる内壁形状を有する開口部23aを備えた逆テーパー型のマスク23を形成した。
次に、マスク23の開口部23aから露出する透光性電極109を、ドライエッチングすることにより、透光性電極109の上面109cに深さ10nmの接合凹部109aを形成した。
縁部保護膜10bが形成されていないことと、透光性電極109の上面109cに接合凹部109aが形成されていないことと、接合層210、ボンディングパッド電極220を構成する金属反射層217およびボンディング層219の側面が透光性電極109の上面109cに対してほぼ垂直に形成されていること以外は、実施例1の半導体発光素子1と同様である図12に示す半導体発光素子を製造した。
実施例1および比較例1の半導体発光素子について、順方向電圧を測定した。その結果、実施例1および比較例1ともにプローブ針による通電で電流印加値20mAにおける順方向電圧が3.0Vであった。
その後、実施例1および比較例1の半導体発光素子をTO−18缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測した。その結果、実施例1および比較例1ともに印加電流20mAにおける発光出力は20mWを示した。また、実施例1および比較例1ともに、発光面の発光分布は正極下の全面で発光しているのが確認できた。
また、実施例1および比較例1の半導体発光素子(チップ)について、ボンディングテストを行った。その結果、実施例1では、100,000チップ中、パッド剥れ(ボンディング不良)は1チップもなかった。これに対し、比較例1では、100,000チップ中、パッド剥れ(ボンディング不良)は3チップであった。
実施例1および比較例1の半導体発光素子(チップ)を高温高湿器(いすゞ製作所、μーSERIES)内に入れ、温度85℃、相対湿度85RH%の環境下で100個のチップに対して発光試験(チップへの通電量5mA、2000時間)を行った。その結果、実施例1の不良数は0個であったが、比較例1の不良数は20個であった。
電流印加値20mA、順方向電圧3.0V、発光出力20mWの発光させた状態で、実施例1および比較例1の半導体発光素子を水槽の水中に沈めた。
実施例1では、半導体発光素子を水槽の水中に沈めた状態のまま10分間保持した後、水中から引き上げて、再び発光特性を測定した。その結果、実施例1では、水中に沈める前と水中に沈める後とで発光特性はほとんど変わらなかった。
これに対し、比較例1では、半導体発光素子を水槽の水中に沈めた状態のまま数秒間保持しただけで光らなくなった。
実施例1で製造した半導体発光素子を特開2007−194401号公報の記載と同じ方法に準じて、前記半導体発光素子を搭載したランプ(パッケージ)を作製することができた。また、電子機器や機械装置の一例として、そのランプを組み込んだバックライトを作製することができた。
Claims (13)
- 基板と、前記基板上に形成された発光層を含む積層半導体層と、前記積層半導体層の上面に形成された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面上に形成された他方の電極とを具備する半導体発光素子であって、
前記一方の電極または前記他方の電極の少なくともいずれか一方が、上面に接合凹部を有する透光性電極と、前記接合凹部を覆うように形成された接合層と、前記接合層を覆うように形成され、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面が外周部に形成されているボンディングパッド電極とを備えていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記接合層が、Al、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、W、Re、Rh、Ir、Niからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素からなるものであり、最大厚みが10Å以上400Å以下の範囲の薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記ボンディングパッド電極が、Au、Alまたはこれらの金属の何れかを含む合金からなるボンディング層を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記ボンディングパッド電極が、前記接合層を覆うように形成された金属反射層と、前記金属反射層を覆うように形成されたボンディング層とからなり、
前記金属反射層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Tiのうちの何れかまたはこれら金属の何れかを含む合金からなるものであることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。 - 前記透光性電極が、In、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ce、Sn、Niのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料から構成されることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記ボンディングパッド電極の外縁部を覆い、前記ボンディングパッド電極上の一部を露出させる縁部保護膜が形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記透光性電極の上面における前記接合凹部の形成されていない領域を覆うように透明保護膜が形成されており、
前記接合層の外縁部および前記ボンディングパッド電極の外縁部が、前記透明保護膜上に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記積層半導体層が、前記基板側からn型半導体層、発光層、p型半導体層の順に積層されてなり、前記発光層が多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記積層半導体層が、窒化ガリウム系半導体を主体として構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の半導体発光素子と、前記半導体発光素子が配置されるとともに前記半導体発光素子の一方の電極とワイヤボンディングされる第1フレームと、前記半導体発光素子の他方の電極とワイヤボンディングされる第2フレームと、前記半導体発光素子を取り囲んで形成されるモールドと、を備えたことを特徴とするランプ。
- 基板と、前記基板上に形成された発光層を含む積層半導体層と、前記積層半導体層の上面に形成された一方の電極と、前記積層半導体層の一部が切り欠けられてなる半導体層露出面上に形成された他方の電極とを具備する半導体発光素子の製造方法であって、
前記一方の電極または前記他方の電極の少なくともいずれか一方を製造する工程が、透光性電極を形成する工程と、
前記透光性電極の上面に、底面に向かって断面積が徐々に広くなる内壁形状を有する開口部を備えたマスクを形成する工程と、
前記開口部から露出する前記透光性電極の上面をエッチングすることにより接合凹部を形成する工程と、
前記接合凹部を覆うように接合層を形成する工程と、
前記開口部の内壁形状に沿って外周部の形状を形成することにより、前記接合層を覆い、外側に向けて膜厚が漸次薄くなる傾斜面を外周部に有するボンディングパッド電極を形成する工程と、
前記マスクを除去する工程とを備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項10に記載のランプが組み込まれている電子機器。
- 請求項12に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
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