JP5787739B2 - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
実施形態は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。
Thin-Film構造を有する半導体発光装置の製造過程では、半導体発光層を含む発光体を、接合金属を介して支持基板に接合する。この接合工程において、発光体に接続された電極と、発光体と、の間の界面に、接合金属に含まれる金属原子が侵入しコンタクト抵抗の劣化等を生じさせる。これを防ぐために、電極と、接合金属と、の間にバリアメタルを介在させ、金属原子の移動を抑制する方法が採られる。しかし、その効果は十分ではない。
実施形態は、発光体と支持基板とを接合する金属のマイグレーションを抑制し、発光特性を向上させる半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体発光装置は、発光層を含む半導体からなる発光体と、前記発光体を支持する支持基板と、前記発光体と前記支持基板との間に設けられ、前記発光体と前記支持基板とを接合する接合層と、を備える。さらに、前記発光体と前記接合層との間に設けられた第１のバリアメタル層であって、ニッケルからなる第１の層と、ニッケルよりも線膨張係数の小さい金属からなる第２の層と、を交互に積層した多層構造を含む第１のバリアメタル層と、前記発光体と前記第１のバリアメタル層との間において、前記発光体および前記第１バリアメタル層に接し、ニッケルよりも線膨張係数が大きい電極と、を備える。前記第１バリアメタル層は、前記第１の層と前記第２の層とのペアを３組以上含み、前記第２の層を介して前記電極に接する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体発光装置１００を表す模式断面図である。半導体発光装置１００は、例えば、ＧａＮ系窒化物半導体を材料とする発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。また、半導体発光装置１００は、所謂Thin-Film構造を有するＬＥＤであり、半導体発光層を含む発光体１０と、発光体１０を支持する支持基板２０と、を備える。
図１は、第１実施形態に係る半導体発光装置１００を表す模式断面図である。半導体発光装置１００は、例えば、ＧａＮ系窒化物半導体を材料とする発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。また、半導体発光装置１００は、所謂Thin-Film構造を有するＬＥＤであり、半導体発光層を含む発光体１０と、発光体１０を支持する支持基板２０と、を備える。
図１に示すように、発光体１０と支持基板２０との間には、発光体１０と支持基板２０とを接合する接合層３０が設けられる。さらに、発光体１０と接合層３０との間には、第１のバリアメタル層４０ａが設けられる。第１のバリアメタル層４０ａは、ニッケル（Ｎｉ）からなる第１の層と、ニッケルよりも線膨張係数の小さい金属からなる第２の層、を交互に積層した多層構造を含む。
発光体１０と第１のバリアメタル層４０ａとの間には、発光体１０に電気的に接続された電極５０が設けられる。
発光体１０と第１のバリアメタル層４０ａとの間には、発光体１０に電気的に接続された電極５０が設けられる。
以下、半導体発光装置１００の構成を具体的に説明する。
発光体１０は、例えば、ｎ型ＧａＮ層３と、発光層５と、ｐ型ＧａＮ層と、を含む。発光層５は、ＩｎＧａＮ井戸層およびＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）を有し、例えば、青色の光を発光する。
発光体１０は、例えば、ｎ型ＧａＮ層３と、発光層５と、ｐ型ＧａＮ層と、を含む。発光層５は、ＩｎＧａＮ井戸層およびＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）を有し、例えば、青色の光を発光する。
電極５０は、例えば、銀（Ａｇ）を含み、発光層５が放射する光を発光面１０ａの方向に反射する。以下、電極５０を反射電極５０として説明する。
接合層３０は、第１の接合金属層３０ａと、第２の接合金属層３０ｂと、を含む。第１の接合金属層３０ａは、第１のバリアメタル層４０ａを介して反射電極５０の上に設けられる。第２の接合金属層３０ｂは、第２のバリアメタル層４０ｂを介して支持基板２０の上に設けられる。そして、後述するように、第１の接合金属層３０ａと、第２の接合金属層３０ｂと、を熱圧着することにより、発光体１０と支持基板２０とを接合する。
第２のバリアメタル層４０ｂは、Ｎｉ層４１と、Ｎｉよりも線膨張係数の小さい、例えば、チタン（Ｔｉ）層４３と、を交互に積層した多層構造を含む。
発光体１０の発光面１０ａの上には、ｎ電極６０が選択的に設けられる。ｎ電極６０は、ｎ型ＧａＮ層３にオーミック接触する。支持基板２０の裏面２０ｂには、裏面電極７０が設けられる。
次に、図２〜図４を参照して、第１実施形態に係る半導体発光装置１００の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図４（ｂ）は、各製造過程を表す模式断面図である。
図２（ａ）に示すように、発光体１０を含むウェーハ９０と、支持基板２０と、を準備する。ウェーハ９０は、成長基板８０と、その上にエピタキシャル成長されたｎ型ＧａＮ層３と、発光層５と、ｐ型ＧａＮ層７と、を含む。ｐ型ＧａＮ層７の上には、反射電極５０が設けられる。
成長基板８０には、例えば、サファイア基板を用いる。ｎ型ＧａＮ層３、発光層５およびｐ型ＧａＮ層７は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いて形成することができる。反射電極５０は、例えば、Ａｇ層であり、真空蒸着法を用いて形成する。支持基板２０は、例えば、ｐ型シリコンウェーハである。
次に、ウェーハ９０の上に、第１のバリアメタル層４０ａと、第１の接合金属層３０ａと、を順に形成する。支持基板２０の上には、第２のバリアメタル層４０ｂと、第２の接合金属層３０ｂと、を順に形成する。
第１のバリアメタル層４０ａおよび４０ｂは、例えば、スパッタ法を用いて形成できる。ウェーハ９０と、支持基板２０と、を同じ装置にセットし、第１のバリアメタル層４０ａと、第２のバリアメタル層４０ｂと、を同時に形成しても良い。すなわち、第１のバリアメタル層４０ａは、第２のバリアメタル層４０ｂと同じ構成を有しても良い。
第１のバリアメタル層４０ａは、反射電極５０の側から、例えば、第２の層であるＴｉ層４３と、第１の層であるＮｉ層４１と、を交互に積層した多層構造を有する。Ｔｉの線熱膨張係数は、８．４×１０−６／℃であり、Ｎｉの線熱膨張係数１．３３×１０−５／℃よりも小さい。
例えば、５０〜５００ナノメートル（ｎｍ）の厚さのＴｉ層４３と、５０〜５００ｎｍの厚さのＮｉ層４１と、を交互に積層する。好ましくは、５０〜２００ｎｍのＴｉ層４３と、５０〜２００ｎｍのＮｉ層４１と、を交互に積層する。第２のバリアメタル層４０ｂも同様に形成する。
第１の接合金属層３０ａおよび第２の接合金属層３０ｂは、例えば、真空蒸着法、または、スパッタ法を用いて形成する。第１の接合金属層３０ａと、第２の接合金属層３０ｂと、を同時に形成し、同じ構成としても良い。例えば、第１の接合金属層３０ａは、第１のバリアメタル層４０ａの側から、金（Ａｕ）と、金錫（ＡｕＳｎ）と、を順に積層した構造を有する。Ａｕの厚さは、例えば、１０〜４００ｎｍであり、ＡｕＳｎの厚さは、１００〜５０００ｎｍである。第２の接合金属層３０ｂも同様に形成する。
本実施形態の変形例として、第２のバリアメタル層４０ｂは、第１のバリアメタル層４０ａと異なる構成であっても良い。また、第１の接合金属層３０ａおよび第２の接合金属層３０ｂのいずれか一方が、Ａｕ／ＡｕＳｎの積層構造を有し、他方が、Ａｕの単層であっても良い。
次に、図３（ａ）に示すように、支持基板２０の上にウェーハ９０を重ね、第１の接合金属層３０ａの接合面３０ｘと、第２の接合金属層３０ｂの接合面３０ｙと、を接触させる。さらに、成長基板８０の裏面側、および、支持基板２０の裏面側から圧力を加えた状態で、温度を上昇させ、第１の接合金属層３０ａと、第２の接合金属層３０ｂと、を熱圧着する。
例えば、支持基板２０およびウェーハ９０の温度を２２０℃以上、３５０℃以下とし、１分以上、２０分以下の間、加圧した状態で保持する。これにより、図３（ｂ）に示すように、接合層３０を介してウェーハ９０と、支持基板２０と、を接合することができる。
次に、図４（ａ）に示すように、成長基板８０を、発光体１０から分離する。例えば、成長基板８０の裏面側からレーザ光を照射し、成長基板８０とｎ型ＧａＮ層３との間の界面近傍のＧａＮを解離させる。これにより、支持基板２０の上に発光体１０を残して、成長基板８０を除去することができる。発光体１０は、第１のバリアメタル層４０ａと第２のバリアメタル層４０ｂとの間に挟まれた接合層３０を介して支持基板２０に接合される。
次に、図４（ｂ）に示すように、成長基板８０が除去された発光体１０の発光面１０ａにｎ電極６０を選択的に形成する。ｎ電極６０は、例えば、真空蒸着法を用いて形成され、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造を有する。そして、支持基板２０の裏面２０ｂに裏面電極７０を形成し、半導体発光装置１００を完成する。
図５は、半導体発光装置の接合構造の一部を表す模式断面図およびその平面写真である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、本実施形態に係る接合構造を示し、図５（ｃ）および図５（ｄ）は、比較例に係る接合構造を示している。
図５（ａ）は、図５（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面構造である。本実施形態では、反射電極５０を覆うように、第１のバリアメタル層４０ａが設けられている。第１のバリアメタル層４０ａは、反射電極５０の側から第２の層であるＴｉ層４３と、第１の層であるＮｉ層４１と、が交互に積層された構成を有する。そして、それぞれ３層のＴｉ層４３およびＮｉ層４１が積層されている。さらに、第１のバリアメタル層４０ａの上には、Ａｕ層３１と、ＡｕＳｎ層３３と、がこの順に積層されている。
図５（ｂ）は、ウェーハ９０と、支持基板２０と、を接合した後、成長基板８０の裏面側から見た反射電極５０の反射面を示す写真である。サファイア基板、および、ＧａＮ系窒化物半導体は、可視光に対して透明であるから、反射面を直接観察することができる。
図５（ｃ）は、比較例に係る接合構造の断面を示している。比較例では、反射電極５０を覆うバリアメタル層４５は、Ｔｉ層４３と、白金（Ｐｔ）層４７と、を含む。反射電極５０の側から、Ｔｉ層４３と、Ｐｔ層４７とが、順に積層されている。バリアメタル層４５の上には、Ａｕ層３１と、ＡｕＳｎ層３３と、がこの順に積層されている。
図５（ｄ）は、ウェーハ９０と、支持基板２０と、を接合した後の反射面を示す写真である。この例では、反射電極５０のパターンの外周および内周に沿って、第１の接合金属層３０ａに含まれる錫（Ｓｎ）のマイグレーションが見られる。すなわち、反射電極５０と、ｐ型ＧａＮ層７と、の界面に、Ｓｎが侵入している。これにより、反射電極５０の反射面における反射率が低下し、さらに、ｐ型ＧａＮ層７と、反射電極５０と、の間のオーミックコンタクトが劣化する。このため、半導体発光装置の発光効率が低下する。
これに対し、図５（ｂ）に示すように、本実施形態では、Ｓｎのマイグレーションは見られず、第１のバリアメタル層４０ａの阻止能が高いことがわかる。すなわち、Ｔｉ層４３と、Ｎｉ層４１と、を交互に積層し多層構造とすることによりＳｎの侵入を阻止することが可能となる。これにより、反射電極５０の反射率およびオーミックコンタクトの劣化を抑制することができる。
例えば、比較例におけるバリアメタル層４５においても、Ｔｉ層４３およびＰｔ層４７を厚くすること、もしくは、多層構造とすることにより、Ｓｎに対するバリア性を向上させることが可能に思える。しかしながら、ＴｉおよびＰｔは、共に、反射電極５０に含まれるＡｇよりも線膨張係数が小さい。このため、Ｔｉ層４３およびＰｔ層４７を厚くすると、反射電極５０に加わる熱応力が大きくなり、反射電極５０とｐ型ＧａＮ層７との界面における剥離が生じ易くなる。
本実施形態に係る第１のバリアメタル層４０ａは、Ａｇに近い線膨脹係数を有するＮｉ（１．３３×１０−５／℃）を含む。このため、反射電極５０に加わる応力が低減され、反射電極５０のｐ型ＧａＮ層７からの剥離が抑制される。これにより、Ｓｎに対するバリア性を向上させることができる。
表１は、Ｔｉ層４３およびＮｉ層４１の層数と、Ｓｎに対するバリア性と、の関係を示している。本実施形態に係る第１のバリアメタル層４０ａであっても、層数が少ない場合は、Ｓｎのマイグレーションが生じる。すなわち、Ｔｉ層４３およびＮｉ層４１を各２層以下とした場合には、Ｓｎのマイグレーションが生じる。一方、Ｔｉ層４３およびＮｉ層４１の積層を各３層以上とした場合には、Ｓｎのマイグレーションは生じない。
すなわち、第１のバリアメタル層４０ａは、各３層以上を交互に積層したＴｉ層４３とＮｉ層４１とを含むことが好ましい。さらに、製造コストを低減する観点からは、それぞれ７層以下とすることが望ましい。
Ｎｉは、ＡｕおよびＳｎと反応し易い性質がある。したがって、Ｎｉ層４１のみでＳｎに対するバリア性を保持させることは難しい。このため、Ｔｉ層４３と、Ｎｉ層４１と、を交互に積層する構造とする。しかし、Ｎｉ層４１と組み合わせる金属は、Ｔｉに限られる訳ではなく、第１の接合金属層３０ａと反応し難い金属を用いることができる。
表２は、半導体発光装置の電極に用いることができる材料を例示している。表中に示した材料の中で、Ａｇの線膨張係数が最も大きく、次に、Ｎｉの線膨張係数が大きい。Ｔｉの線膨張係数と、Ｐｔの線膨張係数とは、ほぼ同じである。融点の高いタンタル（Ｔａ）およびタングステン（Ｗ）の線膨張係数は、ＴｉおよびＰｔよりも小さい。
Ｎｉは、Ａｇと、他の高融点金属と、の間の線膨張係数を有しており、表中に示す高融点金属と組み合わせることにより、本実施形態に係る第１のバリアメタル層４０ａを構成することが可能である。すなわち、第１のバリアメタル層４０ａは、第２の層として、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）およびタングステン（Ｗ）から選択された少なくとも１つの金属を含むことができる。
（第２実施形態）
図６（ａ）は、第２実施形態に係る半導体発光装置２００を表す模式断面図である。図６（ｂ）は、半導体発光装置２００の反射電極５５およびその周辺を表す部分断面図である。
図６（ａ）は、第２実施形態に係る半導体発光装置２００を表す模式断面図である。図６（ｂ）は、半導体発光装置２００の反射電極５５およびその周辺を表す部分断面図である。
半導体発光装置２００は、発光体１０と、発光体を支持する支持基板２０と、を備える。発光体１０と支持基板２０との間には、発光体１０と支持基板と６０を接合する接合層３０が設けられる。さらに、発光体１０と接合層３０との間には、第１のバリアメタル層４０ａが設けられる。第１のバリアメタル層４０ａは、ニッケル（Ｎｉ）からなる第１の層４１と、ニッケルよりも線膨張係数の小さい金属からなる第２の層４３、を交互に積層した多層構造を含む。
本実施形態の反射電極５５は、発光体１０と第１のバリアメタル層４０ａとの間に、相互に離間した複数の電極として設けられる。このような構成は、例えば、反射電極５５と、ｐ型ＧａＮ層７と、の間の密着力が弱い場合に有利である。すなわち、隣り合う反射電極５５の間において、ｐ型ＧａＮ層７と、第１のバリアメタル層４０ａと、が接触する。したがって、第１のバリアメタル層４０ａと、ｐ型ＧａＮ層７と、の間の密着力が反射電極５５よりも高ければ、反射電極５０とｐ型ＧａＮ層７との間の密着を補強し、Ｓｎに対するバリア性を向上させる。これにより、反射電極５５の反射率およびオーミックコンタクトの劣化を抑制することができる。
さらに、図６（ｂ）に示すように、反射電極５５の端５５ａを傾斜させても良い。これにより、反射電極５５の端５５ａにおける第１のバリアメタル層４０ａの段差切れを抑制することができる。すなわち、第１のバリアメタル層４０ａのクラックを介したＳｎのマイグレーションを抑制することができる。また、端５５ａの段差を無くすことにより、ｐ型ＧａＮ層７から反射電極５５を剥離させる方向の応力を緩和することが可能である。これにより、半導体発光装置２００における発光効率の劣化を抑制し、信頼性を向上させることができる。
本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
３・・・ｎ型ＧａＮ層、 ５・・・発光層、 ７・・・ｐ型ＧａＮ層、 １０・・・発光体、 １０ａ・・・発光面、 ２０・・・支持基板、 ２０ｂ・・・裏面、 ３０・・・接合層、 ３０ａ・・・第１の接合金属層、３０ｂ・・・第２の接合金属層、 ３０ｘ、３０ｙ・・・接合面、 ３１・・・Ａｕ層、 ３３・・・ＡｕＳｎ層、 ４０ａ・・・第１のバリアメタル層、４０ｂ・・・第２のバリアメタル層、４５・・・バリアメタル層、 ４１・・・Ｎｉ層（第１の層）、 ４３・・・Ｔｉ層（第２の層）、 ４７・・・Ｐｔ層、 ５０、５５・・・反射電極、 ５５ａ・・・反射電極の端、 ６０・・・ｎ電極、 ７０・・・裏面電極、 ８０・・・成長基板、 ９０・・・ウェーハ、 １００、２００・・・半導体発光装置
Claims (6)
- 発光層及びｐ型ＧａＮ層を含む半導体からなる発光体と、
前記発光体を支持する支持基板と、
前記発光体と前記支持基板との間に設けられ、前記発光体と前記支持基板とを接合する
接合層と、
前記発光体と前記接合層との間に設けられた第１のバリアメタル層であって、ニッケル
からなる第１の層と、ニッケルよりも線膨張係数の小さい金属からなる第２の層と、を交
互に積層した多層構造を含む第１のバリアメタル層と、
前記発光体と前記第１のバリアメタル層との間において、前記発光体および前記第１バ
リアメタル層に接し、ニッケルよりも線膨張係数が大きい電極と、
を備え、
前記第１バリアメタル層は、前記第１の層と前記第２の層とのペアを３組以上含み、前
記第２の層を介して前記電極に接し、前記電極間において前記ｐ型ＧａＮ層に接する半導
体発光装置。 - 前記電極は、銀（Ａｇ）を含み、前記半導体発光層が放射する光を反射する請求項１記
載の半導体発光装置。 - 前記接合層と、前記支持基板と、の間に設けられた第２のバリアメタル層をさらに備え
、
前記第２のバリアメタル層は、ニッケルからなる第１の層と、ニッケルよりも線膨張係
数の小さい金属からなる第２の層と、を交互に積層した多層構造を含む請求項１または２
のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記第２の層は、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）およびタングステ
ン（Ｗ）から選択された少なくとも１つの金属を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載
の半導体発光装置。 - 前記多層構造は、３層以上の前記第１の層と、３層以上の前記第２の層と、を含む請求
項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。 - 発光層及びｐ型ＧａＮ層を含む半導体からなる発光体と、支持基板と、が接合された半
導体発光装置の製造方法であって、
前記発光体に接し、ニッケルよりも線膨張係数の大きい電極を形成し、
前記電極の上に、ニッケルからなる第１の層と、ニッケルよりも線膨張係数の小さい金
属からなる第２の層と、を交互に積層した多層構造であって、前記第１の層と前記第２の
層とのペアを３組以上含み、前記第２の層を介して前記電極に接し、前記電極間において
前記ｐ型ＧａＮ層に接する多層構造を含む第１のバリアメタル層を形成する工程と、
前記支持基板の上に、ニッケルからなる第１の層と、ニッケルよりも線膨張係数の小さ
い金属からなる第２の層と、を交互に積層した多層構造を含む第２のバリアメタル層を形
成する工程と、
前記第１のバリアメタル層と、前記第２のバリアメタル層と、の間に接合層を挟んで、
前記発光体と前記支持基板とを接合する工程と、
を備えた半導体発光装置の製造方法。
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