JP5323468B2 - 半導体発光素子の製造方法、電極構造の製造方法、半導体発光素子、電極構造 - Google Patents
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Description
また、他の公報記載の従来技術として、透明電極上のパッド電極を、透明電極に積層される反射層と、反射層に積層されるバリア層と、バリア層に積層される最上層とで構成することが記載されている(特許文献2参照)。
また、接続電極を形成する工程が、マスク側から開口部を介して接合層にバリア層を積層する工程と、マスク側から開口部を介してバリア層にボンディング層を積層する工程とを含み、バリア層を形成する工程におけるスパッタターゲットと被積層体との距離よりも、ボンディング層を積層する工程におけるスパッタターゲットと被積層体との距離を小さく設定することを特徴とすることができる。
また、接続電極が、接合層とボンディング層との間に積層されるバリア層をさらに備え、バリア層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nb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ことができる。
さらに、積層半導体層がIII族窒化物半導体にて構成されることを特徴とすることができる。
図1は本実施の形態が適用される半導体発光素子(発光ダイオード)1の断面模式図の一例であり、図2は図1に示す半導体発光素子1の平面模式図であり、図3は半導体発光素子を構成する積層半導体層の断面模式図の概略図の一例であり、図4は、半導体発光素子1に設けられた第1の電極210の拡大断面図の一例である。
図1に示すように、半導体発光素子1は、基板110と、基板110上に積層される中間層120と、中間層120上に積層される下地層130とを備える。また、半導体発光素子1は、下地層130上に積層されるn型半導体層140と、n型半導体層140上に積層される発光層150と、発光層150上に積層されるp型半導体層160とを備える。なお、以下の説明においては、必要に応じて、これらn型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160を、まとめて積層半導体層100と呼ぶ。さらに、半導体発光素子1は、p型半導体層160上に積層される透明電極170と、透明電極170上に積層される保護層180とを備える。そして、半導体発光素子1は、透明電極170のうち保護層180によって覆われない部位に積層される第1の接合層190と、第1の接合層190上に積層される、接続電極の一例としての第1のボンディングパッド電極200とを備える。さらにまた、半導体発光素子1は、p型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140の一部を切り欠くことによって露出したn型半導体層140の半導体層露出面140c上の一部に積層される第2の接合層220と、第2の接合層220上に積層される接続電極の一例としての第2のボンディングパッド電極230とを備える。なお、以下の説明においては、透明電極170と透明電極170上に積層される第1の接合層190と第1のボンディングパッド電極200とを、まとめて第1の電極210と呼ぶ。また、以下の説明においては、第2の接合層220と第2のボンディングパッド電極230とを、まとめて第2の電極240と呼ぶ。
この半導体発光素子1においては、第1の電極210における第1のボンディングパッド電極200を正極、第2の電極240を負極とし、両者を介して電流を流すことで、発光層150が発光するようになっている。
<基板>
基板110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。
また、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。サファイア基板を用いる場合は、サファイアのc面上に中間層120(バッファ層)を形成するとよい。
また、中間層120をスパッタ法により形成した場合、基板110の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板110を用いた場合でも、基板110にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
積層半導体層100は、例えば、III族窒化物半導体からなる層であって、図1に示すように、基板110上に、n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160の各層がこの順で積層されて構成されている。
また、図3に示すように、n型半導体層140、発光層150及びp型半導体層160の各層は、それぞれ、複数の半導体層から構成してもよい。さらにまた、積層半導体層100は、さらに下地層130、中間層120を含めて呼んでもよい。
なお、積層半導体層100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半導体層を形成できる。以下、順次説明する。
中間層120は、多結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなるものが好ましく、単結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)のものがより好ましい。
中間層120は、上述のように、例えば、多結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのものとすることができる。中間層120の厚みが0.01μm未満であると、中間層120により基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、中間層120の厚みが0.5μmを超えると、中間層120としての機能には変化が無いのにも関わらず、中間層120の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
中間層120は、基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和し、基板110の(0001)面(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。したがって、中間層120の上に単結晶の下地層130を積層すると、より一層結晶性の良い下地層130が積層できる。なお、本発明においては、中間層形成工程を行なうことが好ましいが、行なわなくても良い。
また、中間層120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。
下地層130としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いることができるが、AlxGa1-xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層130を形成できるため好ましい。
下地層130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130の結晶性を良くするためには、下地層130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できる。
図3に示すように、n型半導体層140は、nコンタクト層140aとnクラッド層140bとから構成されるのが好ましい。なお、nコンタクト層140aはnクラッド層140bを兼ねることも可能である。また、前述の下地層130をn型半導体層140に含めてもよい。
nコンタクト層140aは、第2の電極240を設けるための層である。nコンタクト層140a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。
また、nコンタクト層140aにはn型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1020/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、第2の電極240との良好なオーミック接触を維持できる点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
nコンタクト層140a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140a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140b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140b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。
また、nクラッド層140bは、n側第1層とn側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよく、GaInNとGaNとの交互構造又は組成の異なるGaInN同士の交互構造であることが好ましい。
n型半導体層140の上に積層される発光層150としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などを採用することができる。
図3に示すような、量子井戸構造の井戸層150bとしては、Ga1-yInyN(0<y<0.4)からなるIII族窒化物半導体層が通常用いられる。井戸層150bの膜厚としては、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、好ましくは2〜6nmとすると発光出力の点で好ましい。
また、多重量子井戸構造の発光層150の場合は、上記Ga1-yInyNを井戸層150bとし、井戸層150b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150aとする。井戸層150bおよび障壁層150aには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
図3に示すように、p型半導体層160は、通常、pクラッド層160aおよびpコンタクト層160bから構成される。また、pコンタクト層160bがpクラッド層160aを兼ねることも可能である。
pクラッド層160aは、発光層150へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入とを行なう層である。pクラッド層160aとしては、発光層150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150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160aが、このようなAlGaNからなると、発光層150へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。pクラッド層160aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。
pクラッド層160a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。
また、pクラッド層160aは、複数回積層した超格子構造としてもよく、AlGaNとAlGaNとの交互構造又はAlGaNとGaNとの交互構造であることが好ましい。
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160b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160bの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
次に、第1の電極210の構成について詳細に説明する。
図1および図4に示すように、第1の電極210は、透明電極170と、透明電極170上(少し掘り込んだ透明電極170上でもよい)に積層される第1の接合層190と、第1の接合層190上に積層される第1のボンディングパッド電極200とを有している。ボンディングパッド電極を接続電極とも呼ぶことがあり、外部との電気的な接続に用いられる。
また、第1の接合層190は、透明電極170の一部領域を島状に覆うように形成されている。そして、第1の接合層190は、上部側に向かうほぼ平坦な上面190aと、上面190aの縁端から外周側に向けて膜厚が漸次薄くなることで透明電極170に対し傾斜して形成される傾斜面190bとを有している。
これにより、第1の接合層190が外部の空気や水分と容易に接して剥がれ等を促進されることはなく、第1の接合層190の耐食性を向上させることにより、半導体発光素子1の素子寿命を長くすることができる。
図1および図4に示すように、p型半導体層160の上には透明電極170が積層されている。
図2に示すように、平面視したときに、透明電極170(図1参照)は、第2の電極240を形成するために、エッチング等の手段によって一部が除去されたp型半導体層160の上面160cのほぼ全面を覆うように形成されているが、このような形状に限定されるわけでなく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。なお、透明電極170の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
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、酸化チタン等が好ましい。ここで、Inを含む酸化物の一部は、他の透明導電膜と比較して光透過性および導電性の両者がともに優れている点でより好ましい。Inを含む導電性の酸化物としては、例えばITO(酸化インジウム錫(In2O3−SnO2))、IZO(酸化インジウム亜鉛(In2O3−ZnO))、IGO(酸化インジウムガリウム(In2O3−Ga2O3))、ICO(酸化インジウムセリウム(In2O3−CeO2))等が挙げられる。なお、これらの中に、例えばフッ素などのドーパントが添加されていてもかまわない。
これらの材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることによって、透明電極170を形成できる。また、透明電極170を形成した後に、透明電極170の透明化を目的とした熱アニールを施す場合もある。
例えば、六方晶構造のIn2O3結晶を含むIZOを透明電極170として使用する場合、エッチング性に優れたアモルファスのIZO膜を用いて特定形状に加工することができ、さらにその後、熱処理等によりアモルファス状態から結晶を含む構造に転移させることで、アモルファスのIZO膜よりも透光性の優れた電極に加工することができる。
第1の接合層190は、透明電極170に対する第1のボンディングパッド電極200の接合強度を高めるために、透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との間に積層される。また、第1の接合層190は、透明電極170を透過して第1のボンディングパッド電極200に照射される発光層150からの光を低損失で透過させるために、透光性を有していることが好ましい。
図1に示すように、接続電極の一例としての第1のボンディングパッド電極200は、透明電極170側から順に、第1のバリア層200aと第1のボンディング層200bとが積層された積層体からなる。第1のバリア層200aは、第1のボンディング層200bを形成する元素のマイグレーションをバリアする作用を有し、第1のボンディング層200bは、給電用の外部端子材料との密着性を高める作用がある。
なお、第1のボンディングパッド電極200は、第1のバリア層200aのみからなる単層構造であってもよく、第1のバリア層200aと第1のボンディング層200bとの間に、第1のボンディングパッド電極200全体の強度を強化する別のバリア層をさらに挿入して、三層構造としてもよい。また、第1のバリア層200aに代えてバリア層を挿入して、二層構造としてもよい。
図1に示す第1のバリア層200aは、前述のマイグレーション防止作用の他に第1のボンディングパッド電極200全体の強度を強化する役割を有している。このため、比較的強固な金属材料を使用することが好ましく、例えば、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nb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が選べる。また、第1のバリア層200aは、発光層150から出射された光を反射させるために、反射率の高い金属で構成することが好ましく、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の白金族金属、Al、Ag、Tiおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金で構成することがより好ましい。これにより、発光層150からの光を効果的に反射させることができる。
なかでも、Al、Ag、Ptおよびこれらの金属の少なくとも一種を含む合金は、電極用の材料として一般的であり、入手のし易さ、取り扱いの容易さなどの点から優れている。
また、第1のバリア層200aは、高い反射率を有する金属で形成した場合、厚さが200〜3000オングストロームであることが望ましい。第1のバリア層200aが薄すぎると充分な反射の効果が得られない。一方、厚すぎると特に利点は生じず、工程時間の長時間化と材料の無駄を生じるのみである。更に望ましくは、500〜2000オングストロームである。
図1に示す第1のボンディング層200bは、Au、Alまたはこれらの金属の少なくとも一種を含む合金からなることが好ましい。AuおよびAlはボンディングボールとして使用されることが多い金ボールとの密着性の良い金属なので、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金を用いることにより、ボンディングワイヤとの密着性に優れたものとすることができる。中でも、特に望ましいのはAuである。
また、第1のボンディング層200bの厚みは、500オングストローム以上20000オングストローム以下の範囲であることが好ましく、更に望ましくは5000オングストローム以上15000オングストローム以下である。
第1のボンディング層200bが薄すぎるとボンディングボールとの密着性が悪くなり、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。
また、第1のボンディングパッド電極200の電極面積、より具体的には第1のボンディング層200bの上面200eの面積としては、できるだけ大きいほうがボンディング作業はしやすいものの、発光の取り出しの妨げになる。例えば、チップ面の面積の半分を超えるような面積を覆っては、発光の取り出しの妨げとなり、出力が著しく低下する。逆に小さすぎるとボンディング作業がしにくくなり、製品の収率を低下させる。
具体的には、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径100μmの円形程度であることが一般的である。
続いて、第2の電極240の構成の一例について詳細に説明する。
上述したように、第2の電極240は、第2の接合層220と、第2の接合層220上に積層される第2のボンディングパッド電極230とを有している。
図2に示すように、平面視したときに、第2の電極240は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なく、多角形状など任意の形状とすることができる。また、第2の電極240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。
これにより、第2の接合層220が容易に分解されることはなく、第2の接合層220の耐食性を向上させることにより、半導体発光素子1の素子寿命を長くすることができる。
また、保護層180は、第2のボンディング層230bの傾斜面を覆うように形成される。
第2の接合層220は、n型半導体層140のnコンタクト層140aに形成される半導体層露出面140cに対する第2のボンディングパッド電極230の接合強度を高めるために、nコンタクト層140aと第2のボンディングパッド電極230との間に積層される。
図1に示すように、第2のボンディングパッド電極230は、nコンタクト層140a側から順に、第2のバリア層230aと第2のボンディング層230bとが積層された積層体からなる。
なお、第2のボンディングパッド電極230は、第2のバリア層230aのみからなる単層構造であってもよく、第2のバリア層230aと第2のボンディング層230bとの間に、第2のボンディングパッド電極230全体の強度を強化する別のバリア層をさらに挿入して、三層構造としてもよい。また、第2のバリア層230aに代えてバリア層を挿入して、二層構造としてもよい。
図1に示す第2のバリア層230aは、第1のバリア層200aと同様に第2のボンディングパッド電極230全体の強度を強化する役割と第2のボンディングパッド電極230のマイグレーションを防止する作用とを有している。このため、比較的強固な金属材料を使用することが好ましく、例えば、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nb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が選べる。なお、本実施の形態では、第2のバリア層230aを、第1のバリア層200aと同様に、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の白金族金属、Al、Ag、Tiおよびこれらの金属の少なくも一種を含む合金で構成することがより好ましい。
図1に示す第2のボンディング層230bは、第1のボンディング層200bと同様、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金からなることが好ましい。AuおよびAlはボンディングボールとして使用されることが多い金ボールとの密着性の良い金属なので、Au、Alまたはこれらの金属の少なくも一種を含む合金を用いることにより、ボンディングワイヤとの密着性に優れたものとすることができる。中でも、特に望ましいのはAuである。
また、第2のボンディング層230bの厚みは、500オングストローム以上20000オングストローム以下の範囲であることが好ましく、更に望ましくは5000オングストローム以上15000オングストローム以下である。
第2のボンディング層230bが薄すぎるとボンディングボールとの密着性が悪くなり、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。
次に、図1に示す半導体発光素子1の製造方法の一例について説明する。
本実施形態における半導体発光素子1の製造方法は、基板110上に、発光層150を含む積層半導体層100を形成する工程と、積層半導体層100上に透明電極170を形成する工程と、透明電極170を有する積層半導体層100の一部を透明電極170と共に切り欠けて半導体層露出面140cを形成する工程と、透明電極170上(少し掘り込んだ透明電極170上でもよい)に第1の電極210を形成し且つ半導体層露出面140cに第2の電極240を形成する電極形成工程とを有している。なお、電極形成工程においては、表面側を少し掘り込んだ透明電極170上に第1の電極210を形成するようにしてもかまわない。
<積層半導体層形成工程>
積層半導体層形成工程は、中間層形成工程と、下地層形成工程と、n型半導体層形成工程と、発光層形成工程と、p型半導体層形成工程とからなる。
<中間層形成工程>
先ず、サファイア基板等の基板110を用意し、前処理を施す。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110を配置し、中間層120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110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110に作用させることで、基板110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。
スパッタ法によって、単結晶構造を有する中間層120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50%〜100%、望ましくは75%となるようにすることが望ましい。
また、スパッタ法によって、柱状結晶(多結晶)を有する中間層120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、中間層120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、中間層120を形成した後、中間層120が形成された基板110の上面に、単結晶の下地層130を形成する。下地層130は、スパッタ法で形成してもよく、MOCVD法で形成してもよい。
下地層130の形成後、nコンタクト層140a及びnクラッド層140bを積層してn型半導体層140を形成する。nコンタクト層140a及びnクラッド層140bは、スパッタ法で形成してもよく、MOCVD法で形成してもよい。
発光層150の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法でもよいが、特にMOCVD法が好ましい。具体的には、障壁層150aと井戸層150bとを交互に繰り返して積層し、且つ、n型半導体層140側及びp型半導体層160側に障壁層150aが配される順で積層すればよい。
また、p型半導体層160の形成は、スパッタ法、MOCVD法のいずれの方法でもよい。具体的には、pクラッド層160aと、pコンタクト層160bとを順次積層すればよい。
透明電極170の形成に先立ち、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て、所定の領域の積層半導体層100の一部をエッチングしてnコンタクト層140aの一部を露出させ、半導体層露出面140cを形成させる。
電極形成工程は、透明電極形成工程と、接合層形成工程と、バリア層形成工程と、ボンディング層形成工程とからなる。
<透明電極形成工程>
p型半導体層160上に先に透明電極170を形成した後、所定の領域から透明電極170の一部と共に積層半導体層100の一部もエッチングで除去し、半導体層露出面140cを形成するのが好ましい。
なお、マスクで半導体層露出面140cをカバーして、エッチング除去せずに残したp型半導体層160上に、スパッタ法などの公知の方法を用いて、透明電極170を形成するようにしてもよい。
まず、図5(a)に示すように、透明電極170の上に、透明電極170側に近づくほど横方向の径が拡がる開口部311を設けた逆テーパ型マスク(以下、必要に応じて硬化部と呼ぶことがある。)310を形成する。この開口部311は、第1の接合層190および第1のボンディングパッド電極200を形成する領域に対応する部位に形成される。このとき、半導体層露出面140cの上にも、同様の開口部311を設けた逆テーパ型マスク310を形成する。
<マスク形成工程>
マスク形成工程は、透明電極170(および半導体層露出面140c)にレジストを塗布して不溶性レジスト部300を形成するレジスト塗布工程と、不溶性レジスト部300の一部をマスクして露光を行うことにより、露光された不溶性レジスト部300を可溶性レジスト部320にする一部露光工程と、加熱により可溶性レジスト部320を硬化させる硬化工程と、レジスト部を全面露光することにより不溶性レジスト部300を可溶性レジスト部320とする全面露光工程と、レジスト剥離液に浸漬することにより可溶性レジスト部320を剥離する剥離工程と、を有する。
まず、図6(a)に示すように、透明電極170の上にレジストを塗布し、その後乾燥させて不溶性レジスト部300を形成する。ネガ型フォトレジストとしては、たとえば、AZ5200NJ(製品名:AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)などを用いることができる。
次に、図6(b)に示すように、不溶性レジスト部300の前面に第1のボンディングパッド電極200を形成する位置をカバーするようにマスク400を配置して、マスク400側から透明電極170側へ矢印に示すように所定強さ及び波長の光を照射することにより、光が照射された部分の不溶性レジスト部300を光反応させて、可溶性レジスト部320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、透明電極170側では光反応の進行が遅くなる。そのため、可溶性レジスト部320は、断面視したときに、図6(b)に示すように、マスク400でカバーされた部分から透明電極170に向けて、透明電極170に近づくほど横方向の間隔が拡がる逆テーパ形状となるように形成される。
なお、マスクされた部分は、そのまま不溶性レジスト部300として残される。
次に、たとえば、ホットプレートまたはオーブンなどを用いて、この透明電極170上の不溶性レジスト部300および可溶性レジスト部320を加熱することにより、図6(c)に示すように、可溶性レジスト部320を熱反応により架橋させて硬化させ、硬化部310とする。このとき、不溶性レジスト部300はそのままの状態を維持する。
続いて、図6(d)に示すように、マスクを用いず、不溶性レジスト部300および架橋高分子からなる硬化部310の表面側から光を照射することにより、図6(c)において可溶性レジスト部320に変換されなかった不溶性レジスト部300を光反応させて、可溶性レジスト部320とする。
最後に、所定の現像液を用いて、可溶性レジスト部320を溶解させて除去することにより、図6(e)に示すように、透明電極170上に、逆テーパ形状の開口部311を有する硬化部すなわち逆テーパ型マスク310を形成することができる。
本実施の形態では、スパッタ法を用い、同一のバッチ処理において第1の接合層190(第2の接合層220)、第1のバリア層200a(第2のバリア層230a)および第1のボンディング層200b(第2のボンディング層230b)を連続的に形成する。すなわち、接合層形成工程、バリア層形成工程およびボンディング層形成工程が一連で行われる。より具体的に説明すると、スパッタ装置のチャンバ内に、第1の接合層190を形成するためのスパッタターゲットと、第1のバリア層200aを形成するためのスパッタターゲットと、第1のボンディング層200bを形成するスパッタターゲットとを予め設置した状態で、このチャンバ内に、積層半導体層100、透明電極170および逆テーパ型マスク310が形成された基板110をセットし、プラズマ化させるスパッタターゲットを順次切り替えながら各層の形成を行う。なお、このとき、透明電極170と第1の接合層190用のスパッタターゲットとの間の第1の距離よりも、透明電極170と第1のバリア層200a用のスパッタターゲットとの間の第2の距離を小さく設定する。また、この第2の距離よりも、透明電極170と第1のボンディング層200b用のスパッタターゲットとの間の第3の距離を小さく設定する。
第1の接合層190用のスパッタターゲットと逆テーパ型マスク310と対向させた状態で、スパッタ法により、図5(b)に示すように、透明電極170の上面および逆テーパ型マスク310の上に第1の接合層190を形成する。このとき、スパッタターゲットと透明電極170との距離は第1の距離に設定される。すると、透明電極170上には、開口部311の入口の直下となる領域には厚く、その周縁となる領域には薄く、第1の接合層190が形成される。その結果、透明電極170上に積層された第1の接合層190には、図4に示す上面190aと、その周縁から外側に拡がる傾斜面190bとが形成されることになる。ただし、開口部311の最下部側に露出する透明電極170の外周縁側には、ほとんど第1の接合層190が形成されず、透明電極170が露出する状態が維持される。
続いて、第1のバリア層200a用のスパッタターゲットと逆テーパ型マスク310とを対向させた状態で、スパッタ法により、図5(c)に示すように、透明電極170および逆テーパ型マスク310上の第1の接合層190の上面に第1のバリア層200aを形成する。このとき、スパッタターゲットと透明電極170との距離は第2の距離に設定される。すると、透明電極170上に形成された第1の接合層190上には、開口部311の入口の直下となる領域には厚く、その周縁となる領域には薄く、第1のバリア層200aが形成される。しかも、第1の接合層190を形成するときよりもスパッタターゲットと透明電極170との距離を近づけているため、第1のバリア層200aは、第1の接合層190よりも透明電極170の面方向に拡がった状態で形成される。その結果、第1の接合層190上に積層された第1のバリア層200aには、図4に示す上面200cと、その周縁から外側に拡がる傾斜面200dとが形成されることになる。また、第1の接合層190よりも第1のバリア層200aが面方向に拡がることに伴い、第1のバリア層200aの外周側の全縁端が透明電極170と接触するようになり、第1のバリア層200aは透明電極170とともに第1の接合層190を完全に覆うようになる。ただし、開口部311の最下部側に露出する透明電極170の外周縁側には、ほとんど第1のバリア層200aが形成されず、引き続き透明電極170が露出する状態が維持される。
さらに続いて、第1のボンディング層200b用のスパッタターゲットと逆テーパ型マスク310とを対向させた状態で、スパッタ法により、図5(d)に示すように、透明電極170および逆テーパ型マスク310上の第1のバリア層200aの上面に第1のボンディング層200bを形成する。このとき、スパッタターゲットと透明電極170との距離は第3の距離に設定される。すると、透明電極170上に形成された第1のバリア層200a上には、開口部311の入口の直下となる領域には厚く、その周縁となる領域には薄く、第1のボンディング層200bが形成される。しかも、第1のバリア層200aを形成するときよりもスパッタターゲットと透明電極170との距離を近づけているため、第1のバリア層200aよりも透明電極170の面方向に拡がり、且つ、開口部311の内壁の下部側を埋めるように形成される。その結果、第1のバリア層200a上に積層された第1のボンディング層200bには、図4に示す上面200eと、その周縁から外側に拡がる傾斜面200fとが形成されることになる。また、第1のバリア層200aよりも第1のボンディング層200bが面方向に拡がることに伴い、第1のボンディング層200bの外周側の全縁端が透明電極170と接触するようになり、第1のボンディング層200bは透明電極170とともに第1のバリア層200aを完全に覆うようになる。
最後に、レジスト剥離液に浸漬することにより、架橋高分子からなる逆テーパ型マスク310を剥離する。これにより、図5(e)に示すように、透明電極170、第1の接合層190、第1のバリア層200aと第1のボンディング層200bとからなる第1のボンディングパッド電極200を有する第1の電極210が形成される。なお、書術はしなかったが、同じ工程を経て、第2の接合層220、第2のバリア層230aと第2のボンディング層230bとからなる第2のボンディングパッド電極230を有する第2の電極240が形成される。
第1のボンディング層200b、第2のボンディング層230bの内側に逆テーパ型マスク310を形成した後、逆テーパ型マスク310とスパッタターゲットを対向させた状態でSiO2からなる保護層180をスパッタ法により形成し、レジスト剥離液に浸漬することにより、逆テーパ型マスク310を剥離する。これにより、図5(f)に示すように、第1のボンディング層200b、第2のボンディング層230bの内側を除く半導体発光素子1の上面および積層半導体層100の切り欠け側面部に保護層180が形成される。
そして、このようにして得られた半導体発光素子1を、例えば窒素などの還元雰囲気下において、150℃以上600℃以下、より好ましくは200℃以上500℃以下でアニール処理する。このアニール工程は、第1の接合層190を介した透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との密着性、および、第2の接合層220を介した半導体層露出面140cと第2のボンディングパッド電極230との密着性を高めるために行われる。
以上により、半導体発光素子1が得られる。
本発明者は、第1の電極210を構成する第1のボンディングパッド電極200の断面形状を異ならせた半導体発光素子1の製造を行い、第1の電極210における透明電極170と第1のボンディングパッド電極200との密着性について、以下に説明する手法を用いて検討を行った。
すると、傾斜面200fの横方向長さであるテーパ長Wは次の式で表される。
W=(D2−D1)/2 …(1)
そして、傾斜係数Sは次の式で定義される。
S=H/W …(2)
この傾斜係数Sは、透明電極170と傾斜面200fとのなす角度であるテーパ角度θの正接(tanθ)に対応している。
なお、傾斜係数Sの計算に使用される第1の外径D1、第2の外径D2および面高さHは、例えば後述するTEM写真やSEM写真等から求めることができる。
図8には、第1のボンディングパッド電極200の形状として、テーパ長W、傾斜係数S、テーパ角度θを記載している。ここでは、各実施例および各比較例における第1の外径D1を85μmとし、また、面高さHを1.17μmとした。なお、比較例5は、図4に示す構造を有するものではなく、透明電極170上に単に第1の接合層190、第1のバリア層200aおよび第1のボンディング層200bを積層したものである。このため、テーパ角度θが90°を超えてしまっており、傾斜係数Sが特定できなくなっている。
実施例1、2においては、ずらし量が小さい場合およびずらし量が大きい場合において、いずれも第1のボンディングパッド電極200の剥がれが生じなかった。
一方、比較例1〜5においては、ずらし量が小さい場合および/またはずらし量が大きい場合において、10%〜100%の割合で不良すなわち剥がれが生じた。
すなわち、本発明は、給電対象となる被給電体にボンディング用の電極を形成する場合に適用可能である。
Claims (10)
- 基板上に発光層を含む積層半導体層を形成する工程と、
前記積層半導体層上に透明電極を形成しまたは当該積層半導体層のうちの一つの半導体層を露出させる工程と、
前記透明電極または前記一つの半導体層からなる被積層体に、入口側から当該被積層体側に向かって拡開し当該被積層体の一部領域を露出させるための開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記マスク側から前記開口部を介して前記被積層体に接合層を積層する工程と、
前記マスク側から前記開口部を介して前記接合層に外部との電気的な接続に用いられる接続電極を積層する工程とを有し、
前記接続電極を積層する工程では、前記接合層の上部に設けられる上面と当該上面の外周部から前記被積層体に向かって傾斜する傾斜面とを備え、当該接合層を覆うとともに全周縁が当該被積層体と接し、当該上面の外径をD1、当該傾斜面の外径をD2、当該被積層体に対する当該上面の高さをHとし、S=2×H/(D2−D1)としたとき、0<S≦0.6の関係を満たす形状を有する当該接続電極を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記接合層を積層する工程および前記接続電極を積層する工程がスパッタリングにて行われ、
前記接合層を形成する工程におけるスパッタターゲットと前記被積層体との距離よりも、前記接続電極を積層する工程におけるスパッタターゲットと当該被積層体との距離を小さく設定することを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記接続電極を形成する工程が、
前記マスク側から前記開口部を介して前記接合層にバリア層を積層する工程と、
前記マスク側から前記開口部を介して前記バリア層にボンディング層を積層する工程とを含み、
前記バリア層を形成する工程におけるスパッタターゲットと前記被積層体との距離よりも、前記ボンディング層を積層する工程におけるスパッタターゲットと前記被積層体との距離を小さく設定することを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子の製造方法。 - 基板上に発光層を含む積層半導体層を形成する工程と、
前記積層半導体層に透明電極を形成しまたは当該積層半導体層のうちの一つの半導体層を露出させる工程と、
前記透明電極または前記一つの半導体層からなる被積層体に、島状に接合層を積層する工程と、
前記接合層を覆うとともに全周縁が前記被積層体と接するように当該接合層および当該被積層体に接続電極を積層し、当該接合層の上部に設けられる上面と当該上面の外周部から当該被積層体に向かって傾斜する傾斜面とを形成する工程とを備え、
前記接続電極を積層する工程では、前記上面の外径をD1、前記傾斜面の外径をD2、前記被積層体に対する当該上面の高さをHとし、S=2×H/(D2−D1)としたとき、0<S≦0.6の関係を満たす形状を有する当該接続電極を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 給電対象となる被給電体に、入口側から当該被給電体側に向かって拡開し当該被給電体の一部領域を露出させるための開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記マスク側から前記開口部を介して前記被給電体に接合層を積層する工程と、
前記マスク側から前記開口部を介して前記接合層に外部との電気的な接続に用いられる接続電極を積層する工程とを有し、
前記接続電極を積層する工程では、前記接合層の上部に設けられる上面と当該上面の外周部から前記被給電体に向かって傾斜する傾斜面とを備え、当該接合層を覆うとともに全周縁が当該被給電体と接し、当該上面の外径をD1、当該傾斜面の外径をD2、当該被給電体に対する当該上面の高さをHとし、S=2×H/(D2−D1)としたとき、0<S≦0.6の関係を満たす形状を有する当該接続電極を形成することを特徴とする電極構造の製造方法。 - 発光層を含む積層半導体層に積層される透明電極または当該積層半導体層のうちの一つの半導体層からなる被積層体に、島状に積層される接合層と、
前記接合層の上部に設けられる上面と当該上面の外周部から前記被積層体に向かって傾斜する傾斜面とを備え、当該接合層を覆うとともに全周縁が当該被積層体と接するように当該接合層および当該被積層体に積層され、外部との電気的な接続に用いられる接続電極とを備え、
前記接続電極は、前記上面の外径をD1、前記傾斜面の外径をD2、前記被積層体に対する当該上面の高さをHとし、S=2×H/(D2−D1)としたとき、0<S≦0.6の関係を満たす形状を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記接続電極が、Au、Alまたはこれらの金属のいずれかを含む合金からなるボンディング層を有していることを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子。
- 前記接続電極が、前記接合層と前記ボンディング層との間に積層されるバリア層をさらに備え、
前記バリア層が、Ag、Al、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ti、W、Mo、Ni、Co、Zr、Hf、Ta、Nb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7記載の半導体発光素子。 - 前記積層半導体層がIII族窒化物半導体にて構成されることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 給電対象となる被給電体に島状に積層される接合層と、
前記接合層の上部に設けられる上面と当該上面の外周部から前記被給電体に向かって傾斜する傾斜面とを備え、当該接合層を覆うとともに全周縁が当該被給電体と接するように当該接合層および当該被給電体に積層され、外部との電気的な接続に用いられる接続電極とを備え、
前記接続電極は、前記上面の外径をD1、前記傾斜面の外径をD2、前記被給電体に対する当該上面の高さをHとし、S=2×H/(D2−D1)としたとき、0<S≦0.6の関係を満たす形状を有することを特徴とする電極構造。
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