JP6011108B2 - 半導体素子 - Google Patents
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Description
前記のとおり、ワイヤボンディングの際における電極剥がれを抑制する構造の開発、および、半導体素子の動作中における電極剥がれを抑制する構造の開発が試みられているものの、さらに電極剥れの抑制効果の向上が求められている。
このような構成によれば、パッド電極の側面での光吸収が抑制される。
このような構成によれば、光が外部へ出やすくなり、光出力が向上する。
なお、シート抵抗とは、一様の厚さを持つ薄い膜の抵抗を表す方法の一つである。単位には、単位面積(縦、横が同じ正方形)あたりの面積抵抗率Ω/□(ohm/square)を用いる。
このような構成によれば、パッド電極を載置しやすくなる。また、この面積以上のパッド電極であることにより、ワイヤボンディングの際にワイヤを接続するためのパッド電極の上面領域を確保することができる。
このような構成によれば、透光性電極の半導体層からの剥れを抑制することができると共に、透光性電極とパッド電極の密着性がより強固になる。
〔半導体素子〕
本発明の半導体素子は、半導体層と、この半導体層上に設けられた透光性電極と、この透光性電極上に設けられたパッド電極と、を少なくとも備えるものである。具体的には、例えば、n型窒化物半導体層と、このn型窒化物半導体層に積層されたp型窒化物半導体層と、このp型窒化物半導体層上に形成された透光性電極と、この透光性電極上の一部の領域に形成されたp側パッド電極と、前記n型窒化物半導体層上に形成されたn側パッド電極と、を備える窒化物半導体素子が挙げられる。
そして透光性電極は、パッド電極が載置される凹部が形成され、凹部の底面の透光性電極の厚みを、凹部以外の透光性電極の厚みの0%より大きく70%以下としたものである。
基板1は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板材料であればよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。このような基板材料としては、C面、R面、A面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、また炭化ケイ素(SiC)、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、および窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。
n型窒化物半導体層2、活性層3、およびp型窒化物半導体層4(適宜まとめて窒化物半導体層2,3,4という)としては、特に限定されるものではないが、例えばInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y<1)等の窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。
n側電極7nはn型窒化物半導体層2に、p側電極5はp型窒化物半導体層4に、それぞれ電気的に接続して外部から電流を供給する。
ここで、窒化物半導体の中でも好適な窒化ガリウム系化合物半導体はp型になり難く、すなわちp型窒化物半導体層4は比較的抵抗が高い傾向がある。そのため、電極をp型窒化物半導体層4上の一部の領域のみで接続すると、窒化物半導体素子10に供給される電流はp型窒化物半導体層4中で広がり難く、発光が面内で不均一になる。したがって、p型窒化物半導体層4の面内全体に均一に電流が流れるように、p側電極5はp型窒化物半導体層4上により広い面積で接続して設ける必要がある。ただし、上面を窒化物半導体素子10の光取り出し面とするため、p側電極5で光取り出し効率を低下させないように、p側電極5は、p型窒化物半導体層4上に直接に、その全面またはそれに近い面積の領域(ほぼ全面)に形成された透光性電極6を備える。そして、p側電極5はさらに透光性電極6上に、ワイヤボンディング等で外部回路に接続するために、ボンディング性の良好なAuを表面に備えるパッド電極(p側パッド電極)7pを備える。p側パッド電極7pは、光を多く遮らない程度に、ボンディングに必要な平面視形状および面積であって、透光性電極6の平面視形状より小さく、内包されるように、すなわち透光性電極6上の一部の領域に形成される。
p側電極5における透光性電極6は導電性酸化物からなる。透光性電極として金属薄膜を用いることもできるが、導電性酸化物は金属薄膜に比べて透光性に優れるため、窒化物半導体素子10を発光効率の高い発光素子とすることができる。導電性酸化物としては、Zn,In,Sn,Mgからなる群から選択された少なくとも一種を含む酸化物、具体的にはZnO,In2O3,SnO2,ITOが挙げられる。特にITOは可視光(可視領域)において高い光透過性を有し、また導電率の比較的高い材料であることから好適に用いることができる。透光性電極6の形状は、一体の矩形等のp型窒化物半導体層4の平面視形状に合わせた形状でもよいが、例えば、格子状、メッシュ形状、ドット状、ストライプ形状、網目状等にパターン形成してもよい。さらには、透光性電極6は、p側パッド電極7pが設けられる部分以外の透光性電極6の表面に凹凸を設けてもよい。このように、透光性電極6の形状や表面状態を規定することで、光の取り出し効率を向上させることができる。
図2に示すように、透光性電極6はp側パッド電極7pが設けられる部位において凹状に形成されている。この凹状に形成された凹部Cの底面(底辺)Aに、p側パッド電極7pが載置される。すなわち、この凹部Cの底面Aが、p側パッド電極7pの最下部の底面が接するパッド載置部となる。
また、凹部Cの底面Aの透光性電極6の厚みTとは、凹部Cの底面Aの下部における透光性電極6の厚みであり、凹部Cの底面A(パッド載置部)の直下における透光性電極6の厚みのことである。透光性電極6において、凹部Cの底面Aは粗面または凹凸を有していてもよく、その場合は凹部Cの底面Aで最も厚みの厚いところを透光性電極6の厚みTとする。
この凹部C以外の透光性電極6の厚みtは、80nm以上300nm以下であることが好ましい。凹部C以外の透光性電極6の厚みtが80nm以上であれば、シート抵抗をより低くすることができ、p型窒化物半導体層4に電流が拡散しやすくなる。さらに好ましくは100nm以上である。一方、300nm以下とすることで、パッド電極7pの下部が透光性電極6に埋没すると共に厚みtが厚すぎないため、透光性電極6の剥れがより生じにくくなる。さらに好ましくは200nm以下である。
シート抵抗は、凹部C以外の透光性電極6の厚みtを所定以上とすることで、40Ω/□以下に制御することができる。また、シート抵抗の測定は、例えば三菱化学製抵抗率計MCP−T600を用いて四端子四探針法により行なうことができる。
本実施形態に係る窒化物半導体素子10において、n側パッド電極7nとp側パッド電極7pとは同じ積層構造であり、適宜まとめてパッド電極7と称する。
パッド電極7の構造としては特に限定されるものではなく、一般的なものであればよい。例えば、透光性電極6の上面に、Ti層、Rh層、W層、Au層の順に積層された構造(「Ti/Rh/W/Au」と記載する。以下同じ)、「Cr/Rh/W/Au」、「Rh/W/Au」、「Cr/Pt/Ru/Au」、「CrRh/Pt/Au」等が挙げられる。本明細書においてCrRhとは、CrとRhの合金を表す。
保護層9は、窒化物半導体素子10における窒化物半導体層2,3,4の露出した表面(上面および側壁)や透光性電極6の表面等を被覆して、窒化物半導体素子10の保護膜および帯電防止膜とする。具体的にはパッド電極7n,7pの上面の周縁部を除いた領域をボンディングのための領域(ボンディング部)とし、このボンディング部の領域を除いた全表面に保護層9が形成される。保護層9は透光性の絶縁膜であるSi,Ti,Ta等の酸化物からなり、蒸着法、スパッタ法等の公知の方法によって成膜することができ、その膜厚は特に限定するものではないが、100〜1000nmとすることが好ましい。
次に、本発明に係る半導体素子の製造方法の一例について、前記実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法を例にして説明する。
次に、第二の実施形態に係る発光素子について説明する。図3〜5は、本発明の第二の実施形態に係る窒化物半導体素子における透光性電極の構造を模式的に示す拡大断面図である。第二の実施形態に係る半導体素子は、p側パッド電極7pの側面(側辺)と、透光性電極6の凹部Cを形成する側面(側辺)との間に隙間Sが形成されていること、あるいは、p側パッド電極7pの側面全体が保護層9で覆われていること以外は、第一の実施形態と実質的に同様である。なお、第二の実施形態における厚みtは、透光性電極6の底面から、凹部C側面の最も高い位置までの厚みを示す。
図3、4に示すように、透光性電極6は、凹部Cの底面Aの面積が、パッド電極7pの底面積よりも大きい。また、図3に示すように、p側パッド電極7pの側面と、透光性電極6の凹部Cを形成する側面とが接しておらず、これらの間に隙間Sが形成されている。すなわち、透光性電極6にp側パッド電極7pが埋没している位置の側面と、この側面に対向する位置にある透光性電極6の側面との間が離間している。さらに、図4に示すように、p側パッド電極7pの側面と、凹部Cを形成する側面との間に保護層9を有していてもよい。つまり、p側パッド電極7pは、その底面でのみ、透光性電極6と接している。
さらに、保護層9が透光性電極6よりも屈折率が小さい透光性膜である場合、例えば、保護層9がSiO2、透光性電極6がITOから形成されるとき、光が透光性電極6から保護層9へ出やすくなり、光出力が向上する。
テーパー角αの制御は、パターンエッチングの際のマスクのエッチング条件(マスクの断面形状、マスクの材質、エッチングガスの選択等)によっても可能であるが、本実施形態では、ウェットエッチングによってテーパー角αを制御する。
すなわち、
ITO/保護層(SiO2)の場合は、約44度
ITO/空気の場合は、約28度
であるため、約28〜44度の間の光の取出しが可能になる。
また、保護層9がパッド電極7pの上面と側面を覆わず、透光性電極6の上面のみを被覆する構造であってもよい。
次に、第三の実施形態に係る発光素子について説明する。図6は、本発明の第三の実施形態に係る窒化物半導体素子における透光性電極およびパッド電極の構造を模式的に示す拡大断面図である。第三の実施形態に係る半導体素子は、p側パッド電極7pの側面が傾斜面に形成されており、この傾斜面が基端周縁から上方に向かって内側に傾斜していること、あるいは、凹部Cを形成する側面の一部(被覆部B)が、p側パッド電極7pに覆われていること以外は、第一の実施形態および第二の実施形態と実質的に同様である。なお、第三の実施形態における厚みtは、透光性電極6の底面から、凹部C側面の最も高い位置までの厚みを示す。具体的には、厚みtは、透光性電極6の底面から、凹部Cのテーパー角αを有する傾斜面の最も高い位置までの厚みを示す。
図6に示すように、パッド電極(p側パッド電極7p)の側面が、基端周縁から上方に向かって内側に傾斜していてもよい。傾斜とは、パッド電極の側面が平坦面や曲面の場合を含む。
すなわち、p側パッド電極7pの側面は、当該側面の基端が凹部Cと接する部位を基準として、p型窒化物半導体層4側から上方に向かってp側パッド電極7pの断面積(あるいは平面視形状における幅)が狭くなるように傾斜している。なお、p側パッド電極7pが平面視形状で円形の場合(図1(a)参照)は、円錐台又はドーム形状に形成されている。
以下の方法により、図1に示す構造の窒化物半導体素子を作製した。ただし、保護層は設けなかった。
3インチφのサファイア(C面)からなる基板上に、MOVPE反応装置にて、バッファ層、n型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層を構成するそれぞれの窒化物半導体を順次成長させた。窒化物半導体の各層を成長させた基板(以下、ウェハという)を、MOVPE反応装置の処理室にて窒素雰囲気として、600℃のアニールを行った。
表1に示すサンプルについて、ワイヤボンディング加速試験により、ここではITO膜とp型窒化物半導体層との密着性を確認した。
試験条件は、ワイヤボンディング装置(KAIJO製FB−150DGII)を用いて、φ30μmのAuワイヤをパッド電極にボンディングし、その際にITO膜がp型窒化物半導体層から剥がれたサンプル、および、p型窒化物半導体層から剥れなくてもITO膜が破れたサンプルの個数を調べ、剥れ数とした。
ITO膜厚と剥れ率の関係を、表1に示す。
凹部以外のITO膜厚が40nm、80nm、120nm、170nmの4種類のサンプルに、それぞれ20mA、70mA、100mAの電流を流した。そして、ITO膜のシート抵抗を測定した。また、発光強度分布を調べた。さらに、凹部の底面のITOの膜厚と、凹部以外のITOの膜厚を同一とし、80nm、170nmと変化させたもの、および、凹部以外のITOの膜厚を170nmとし、凹部の底面のITOの膜厚を80nmとした3種類のサンプルに、20mAの電流を流した。そして、発光強度分布と発光強度のヒストグラムを調べた。ここで、シート抵抗は四端子四探針法により測定した(装置名:三菱化学製抵抗率計MCP−T600)。また、発光強度分布は、実際に電流を流し、発光している画像をCCDカメラにて強度分布に変換して撮影した(プログラム名:LEPAS11)。
1 基板
2 n型窒化物半導体層
3 活性層
4 p型窒化物半導体層
5 p側電極
6,6a,6b 透光性電極
7p p側パッド電極
7n n側電極(n側パッド電極)
7 パッド電極
9 保護層
A 凹部の底面(パッド載置部)
B 凹部側面の被覆部
C 凹部
E1,E2 光の方向を示す矢印
S 隙間
Claims (9)
- 半導体層と、前記半導体層上に設けられた透光性電極と、前記透光性電極上に設けられたパッド電極と、を少なくとも備える半導体素子であって、
前記透光性電極は、前記パッド電極が載置される凹部が形成され、
前記凹部の底面の透光性電極の厚みは、前記凹部以外の透光性電極の厚みの0%より大きく70%以下であり、
前記凹部を形成する側面が、前記凹部の底面側から上方に向かって外側に傾斜していることを特徴とする半導体素子。 - 前記パッド電極の側面と、前記透光性電極の凹部を形成する側面との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記隙間に、前記透光性電極より屈折率が小さい透光性膜が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
- 前記パッド電極の側面が、基端周縁から上方に向かって内側に傾斜していることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の半導体素子。
- 前記凹部を形成する側面の一部が、前記パッド電極に覆われていることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子。
- 前記凹部以外の透光性電極の厚みが、80nm以上300nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 前記透光性電極のシート抵抗が40Ω/□以下であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 前記凹部の底面の面積は、2700μm2以上であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 前記パッド電極は、CrもしくはCrを含有する合金からなる層を最下層に有する複数層であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の半導体素子。
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