JPH0463480A - ３―ｖ族化合物半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、Ｉ−Ｖ族化合物半導体装置、特にＧａＡｓ、
ＧａＡｌＡｓ５ＧａＡｓＰ、ＧａＰやＩｎＧａＡｓ、Ｉ
ｎＡｓＰ等のｍ−ｖ族化合物半導体の単結晶を用いた発
光ダイオードにおける電極の構造に関するものである。

〈従来の技術〉 従来、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略記）は、可視
光、近赤外光や赤外光を発光するものとしては、ＧａＡ
ｌＡｓ、ＧａＡｓＰやＧａＰ等のＩ−Ｖ族化合物半導体
の単結晶を用いたものが実用化され、現在では、工業的
規模による大量生産により発光ダイオードランプ、数字
表示素子、ドツトマトリックス型発光表示素子や屋外発
光タイオード表示板として広く用いられている。また、
ＧａＡｓ系のｍ−ｖ族化合物半導体、ＧａＡｓやｆｎＧ
ａＡｓ、ＩｎＡｓＰ等のｍ−ｖ族化合物半導体の単結晶
を用いたものも実用化され、現在では工業的規模におい
て生産され、赤外発光ダイオードトシテリモートコント
ロール、フォトインクラブタや赤外線を用いた計測機器
等に広く用いられている。

とこ−ろで、出願人は、先に特公昭６２−４４８３６号
公報（特許第１５２８９５４号）及び特公昭６２−４４
８３７号公報（特許第１５２８９５５号）において、ア
ルミニウム層による良好なワイヤー・ボンディング性か
得られる■−■族化合物半導体装置を提案した。これら
の半導体装置の電極構造は、化合物半導体とオーム性接
触を成す金を主成分とした合金層を第１層、窒化チタニ
ウム層を第２層、チタニウム層を第３層、窒化チタニウ
ム層を第４層、アルミニウム層を第５層として順次積層
、あるいは化合物半導体とオーム性接触を成す金を主成
分とした合金層を第１層、窒化チクニウム層を第２層、
チタニウム層を第３層、アルミニウム層を第４層として
順次積層して電極とし、ている。

これら電極構造は、それ以前に用いられていた、■−〜
′族化合物半導体に対するオーム性接触を成す、例えば
Ａｕ−ＢｅやＡｕ−Ｚｎの様な金を主成分とする合金層
単層のみの電極に較へて、その安定した電気的に低い接
触抵抗を維持し、かつ良好なワイヤーホンティング性が
得られる。すなわち、この電極は、窒化チタン材料の持
つ固有の優れたバＩＪア性、換言すれば、金、ガリウム
等か窒化チタン層上に積層された電極層へ拡散して行く
ことを抑制し防止する優れた効果によって、その目的と
している良好なワイヤーポンディング性を実現した。

〈発明か解決しようとする課題〉 しかしなから、窒化チタン材料の優れたバ１ノア性は下
地の金属層、すなわち、金を主成分とする合金層との界
面において、「窒化チタン層−、・と１「金層−・□と
はほとんと界面反応を生しないため、下地の金属層（全
系合金＠）の種類によっては窒化チタンと層との機械的
な密着性の点において劣り、ワイヤーホンティングの原
にその上に積層された層との間において層間剥離を生じ
るという大きな問題点かあった。　なお、先の出願で第
２層をチタン層、第３層を窒化チタン層、第４層をチタ
ン層とすることも提案されている。しかしここでは、チ
タン層と金糸合金層との間で第２層か却り、またその上
の窒化チタン層か薄いので、結局全系合金中にアルミニ
ウムか拡散し良好なオーム性接触か得られなかった。

本発明は上記点に鑑み、窒化チタン層のバリア性能を損
なうことなく、発光タイオード電極のこのワイヤーホン
ティングの際に発生していた層間剥離の現象を解消した
ＩＩＩ　−、、、−Ｖ属化合物半導体装置を提供するこ
とを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、ｌ１ｌ−Ｖ族化合物半導体とオーム性接触を
成す金を主成分とした合金層を第１層、チタン層を第２
層、窒化チタン層を第３層、チタン層を第４層、アルミ
ニウム層を第５層として順次積層して電極とし、上記第
２層のチタン層は３０人乃至１０００人の範囲の膜厚と
したことを特徴とするものである。

く作　用〉 本発明は、上記のように、チタン材料の持つ固有の優れ
た接着性能と窒化チタン材料とは同系列の材料群に属す
ることに着目し、オーム性接触を成す金糸合金層と窒化
チタン層との間に、３０人乃至１０００人の範囲の薄い
チタン層を介在させることにより、窒化チタン層のバリ
ア性能を損なうことなく、発光ダイオード電極のこのワ
イヤー十ンティングの際に発生していた層間剥離の現象
を解消した。

本発明に従えば、オーム性接触を成す金糸合金層と窒化
チタン層との間に挿入されたチタン層はその材料固有の
優れた接着性能を発揮し、層間剥離を防止する作用を示
す。金糸合金層の層厚を３０００人に設定した場合、チ
タン層の層厚を５０人、１．００人、２００人、３００
人、５００人と増加して行くと層間剥離防止の効果は発
揮され、機械的密着強度は非常に安定したものとなる。

しかし、チタン層の層厚か厚くなりすぎると、電気的な
特性、順方向電圧Ｖｆの値が増加するという副作用か生
しる。これは金を主成分とするオーム性合金層とチタン
層とか反応し、この合金層とチタン層との合金が生じ（
合金層かチタン層に食われて）、本来オーム性接触を成
す金層が薄くなり、１１１−Ｖ族化合物半導体装置の表
面層とのオーム性接触の接触抵抗の増加、或は、オーム
性接触か得られない状態となる。この両者の特性の兼合
いて、チタン層の層厚は３０人〜１０００人が適切であ
る。

尚、このチタン材料固有の優れた接着性能は、チタンが
酸素と結合する力が金や窒化チタンなとに比へて桁外れ
に大きいこと、金材料と反応して合金化する力が大きい
ことと金属として見た場合の延性が優れていることに基
つくものと思われる。

〈実施例〉 以下、図面に従って本発明の詳細な説明する。

第１図、第２図、第３図はＧａＡｓ赤外発光ダイオード
の例である。第１図（Ａ）乃至（Ｅ）に、ＧａＡｓ赤外
発光タイオートの製造プロセスを示している。

水平ブリノンマン法（ＨＢ法）によって得られたｎ型の
ＧａＡｓ基板１に、Ｇａ融液による液相エピタキシャル
成長法によって、Ｓｉ（シリコン）をドープしたＧａＡ
ｓのエピタキシャル成長層を得て、ｎ型ＧａＡｓ層（５
０人〜１００人）２及びｐ型ＧａＡｓ　（３０Ａ　〜５
０Ａ）３を形成する。

次にこのウェハーのｐ型ＧａＡｓの表面を、研磨材でラ
ッピング及びポリッシングにより平坦に研磨する。第１
図の工程（Ａ）。

次にこのｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓウェハー表面を硫酸−過酸
化水素水の溶液かまたはアンモニア水−過酸化水素水の
溶液等の化学薬品でエツチングし、加工歪み等を除去し
た後、電極構造の第１層として金亜鉛層（Ａｕ−Ｚｎ）
４を３０００人程度真空蒸着法やスパッタリング法等に
よって形成する。

次に、第２層にあたるチタン層５をおよそ２００人の厚
さにスパッタリング法なとにより形成し、第２層のチタ
ン層５を大気に晒らすことなく、引き続き第３層にあた
る窒化チタン層６を反応性スパッタリング法等によりお
よそ１０００人、第４層にあたるチタン層７をスパッタ
リング法なとによりおよそ３０００人形成する。次に、
第５層にあたるアルミニウム層８をおよそ１μｍ程度真
空蒸着法やスパッタリング法等によって形成する。

第１図の工程（Ｂ）。

次に、所定のフォトマスクを用いて、通常のフォトエッ
チ法により、これら５層から成る多層の電極層を所望の
形状にエツチングする。この際、アルミニウム層８は加
熱した燐酸溶液により、またチタン層５，７及び窒化チ
タン層６はアンモニア水と過酸化水素水との混合溶液に
よって、そして第１層の金−亜鉛層４は沃素と沃化アン
モニウムと水との１６溶液によってエツチングされる。

次にフォトレジストの剥離液によって電極上のフォトレ
ジストを除去し、その後に、窒素雰囲気中４５０’Ｃの
熱処理を施し、電極のオーム性接触を付与する。第１図
の工程（Ｃ）。

続いて、このウェハーの裏面をラッピング装置により研
磨し、ウェハーの厚みをおよそ３００μｍの厚みにする
。そしてこのウェハーの裏面に金とケルマニュウムの合
金層９を真空蒸着法により形成し、窒素雰囲気中て熱処
理を施し、裏面に対しても■−■族化合物半導体材料と
のオーム性接触を付与する。第１図の工程（Ｄ）。

次にこのウェハーをダイシング装置によって個々の素子
に分離し、ＧａＡｓの赤外発光ＬＥＤのチップを完成す
る。このチップの一般的にサイズは、約３５０μｍＸ３
５０μｍ程度、厚さおよそ３００μｍであり、順方向電
流の印加により、ｐｎ接合から、効率の良い５ｉ−８ｉ
の深い準位に基つくおよそ９４００人の幅広い赤外発光
を発生する。第１図の工程（Ｅ）。

得られたＧａＡｓＬＥＤチップ１０を第２図リードフレ
ーム１３に銀系または金糸のペースト１２によってタイ
ホントを行い、２５〜４０μｍφの金線１１によってワ
イヤーボンティングを行う。

この後、樹脂モールドを施す。これらの工程により、Ｇ
ａＡｓＬＥＤタイオードか完成する。

第３図はこのＧａＡｓＬＥＤの電気的な特性と第２層の
チタン層４の層厚との関係を示すものである。順方向電
流２０ｍＡ流した時の順方向の抵抗値を表現するＶｆ（
ボルト、■）とすると、チタン層４の層厚が、０人、５
０人、１００人、２００人、３００人と増加してもＶｆ
の値は典型値１．２３Ｖであり、変化を示さない。しか
し、５００人、１０００人と更に増加すると、この典型
値は１．２７Ｖ、］、３４Ｖと急速に増加を示す。

一方、同時に示すワイヤーボンディングの際の電極構造
の機械的強度を示すハガレ率は、チタン層４の層厚が、
０人の時６〜１０％の高い発生率を示していたのに対し
、チタン層４の層厚が５０人の時には０〜３％と急速に
減少し、１００Å以上においては、ハガレ率はほぼ皆無
の状態になった。

チタン層４の層厚の増加による電極の直列抵抗の増加を
計算すると、チタン層４の層厚が３００人の時、Ｖｆ＝
１．２４Ｖとし、１０００人の時、Ｖｆ＝１．３４Ｖと
すれば、電圧差１．　３４−１２４＝Ｏ，ＩＶ、層厚差
１０００人−３００人７００人であり、この時の電極パ
ターンの大きさは１５０μｍφなので、８．ｌＸｌ０−
’Ｖ／１００Ａ／μｍ′と計算される。

第４図は、可視発光ダイオードＧａＰＬＥＤのｎ型層の
電極構造に適用した場合の例を示している。

第４図（Ａ）のようにｐ型ＧａＰ層１５の上に形成され
たｎ型ＧａＰ層１４の表面に、オーム性接触を得るため
の材料として、金とシリコンとの合金層１６をおよそ３
０００人程度０厚みに形成し、フォトエツチング法によ
って所定のパターン形状にし、フォトレジスト膜を除去
した後、−旦５００　’Ｃ〜６００　’Ｃて熱処理を施
し、オーム性接触を形成する。（第４図（Ｂ））。

次に、この上に前記ＧａＡｓの場合の実施例と同様に、
チタン層１７の層厚をおよそ２００人程薄層窒化チタン
層１８の層厚をおよそ１０００Ａ人度、チタン層１９の
層厚をおよそ３０００人程度０厚らにアルミニウム層２
０の層厚を１〜２μｍ程度、順次積層して形成し、フォ
トエツチング法を用いて、下層の金シリコン層のパター
ン形状に合わせて、上層のパターンを形成し、フォトレ
ジスト膜を除去後、４００’Ｃ程度の熱処理を施し、各
積層間の密着強度を確保する。この様にして形成した積
層電極構造は優れたオーム性接触と良好なワイヤーホン
ディング性を示した。（第４図（Ｃこの可視ＬＥＤチッ
プの一般的にサイズは、約３２０μｍＸ　３２０μｍ程
度、厚さおよそ３００μｍであり、順方向電流の印加に
より、ｐ−ｎ接合から、Ｎ−Ｎのアイソエレクトロニッ
クトラップの準位に基づく効率の良いおよそ５６５０人
の緑黄色の可視光の発光か生しる。

得られたＧａＰＬＥＤチップを第２図と同様のリードフ
レーム１３に銀糸または金糸のペースト１２によってダ
イホントを行い、２５〜４０μｍφの金線１１によって
ワイヤーホンティングを行う。この後、樹脂モールドを
施す。これらの工程により、ＧａＡｓＬＥＤタイオード
が完成する。

第５図にこのＧａＰＬＥＤの電気的な特性と第２層のチ
タン層１７の層厚との関係を示す。順方向電流２０ｍＡ
流した時の順方向の抵抗値を表現するＶｆ（ボルト、■
）とすると、チタン層１７の層厚が、０人、５０人、Ｌ
　Ｏ０人と増力ａしてもＶｆの値は典型値２．１５Ｖて
あり、変化を示さない。しかし、２００人、３００人、
５００人、１０００人と更に増加すると、この典型値は
２２０Ｖ、２，２４Ｖ、２．３０Ｖ、２．４０Ｖと急速
に増加を示す。一方、ワイヤーボンディングの際の電極
構造の機械的強度を示すハガレ率は、チタン層１７の層
厚が、０人の時６〜１０％の高い発生率を示していたの
に対し、チタン層１７０層厚が５０人の時には０〜２％
と急速に減少し、１００Å以上においては、ハガレ率は
ほぼ皆無の状態になった。

いずれにしても、第２層のチタン層４または１７の層厚
か厚くなりすぎると、電気的な特性、順方向電圧Ｖｆの
値か増加するという副作用か生し１、また薄すぎるとハ
カレ率の改善に寄与できないので、チタン層４，１７の
層厚としては３０人〜１０００人の範囲が適当である。

ちなみに、第３層の窒化チタン層５，１８は、５００Å
以下ではバリア性がなくアルミニウム層７．２０を変質
させ、２０００Å以上では窒化チタン層の直列抵抗が影
響を与え始め、また非常に硬質であるのて熱膨張係数の
差による応力が上下層間で生じる。さらに厚い場合は剥
離に至る。従って、５００人乃至２０００人が適当であ
る。

また、第４層のチタン層６，１９は、バリア性と直列抵
抗の影響から５００人乃至４０００人が適当である。

以上、第１実施例では、ｎ型ＧａＡｓへのオーム性接触
をなす金糸合金層としてＡｕ−Ｚｎ材料を、また第２実
施例では、ｎ型ＧａＰへのオーム性接触をなす金糸合金
層としてＡｕ−５ｉ材料を用いた場合について説明した
か、■−Ｖ族化合物半導体装置へのオーム性接触をなす
金糸合金層としては、例えば、ｎ型ＧａＡｓに対しては
ＡｕＧｅ材料か、ｎ型ＧａＰに対してはＡｕ−Ｂｅ材料
なとが用いられ、これらの組み合わせに対しても本発明
か有効出あることか確かめられている。

したかって、本発明はｐ型の■−■−■合物半導体装置
およびｎ型の■−ｖ族化合物半導体装置に対しても有効
なものである。

すなわち、本発明は、オーム性液をなす金糸合金層の外
側に積層されるチタン（Ｔｉ）層のバリアー性能に関し
、下地の金合金層の特性へ上層のチタン層が悪影響を及
ぼさない範囲において有効に作用する。

〈発明の効果〉 以上のように本発明によれば、オーム性接触を成す金糸
合金層と窒化チタン層との間に、３０人乃至１０００人
の範囲の薄いチタン層を介在させたものであり、窒化チ
タン層のバリア性能を損なうことなく、発光タイオート
電極のこのワイヤーホンディングの際に発生していた層
間剥離の現象を解消できる実用価値の高い■−■属化金
化合物半導体装置供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａン乃至（Ｅ）は本発明の一実施例に係わるＧ
ａＡｓＬＥＤチ・７プの製造プロセスを示す図、第２図
は同ＧａＡｓＬＥＤチップによる赤外ＬＥＤランプの断
面図、第３図はＧａＡｓＬＥＤの電気的な特性と機械的
な特性を説明する図、第４図（Ａ）乃至（Ｃ）はＧａ　
ＰＬＥＤチップの製造プロセスを示す図、第５図はＧａ
　ＰＬＥＤの電気的な特性と機械的な特性を説明する図
である。 １・・・・ｎ型ＧａＡｓ基板、２・・・・ｎＧａＡｓエ
ピタキシャル成長層、３・・・・ｐ型ＧａＡｓエピタキ
ンヤル層、４・・・・金亜鉛合金層、５．７・・・・チ
タン層、６・・・・窒化チタン層、　　８・・・・アル
ミニウム層、９・・・・金ゲルマニウム合金層、】０・
・・・ＬＥＤチップ、　　　１１・・・・金線、１２・
・・・銀ヘースト、１３・・・・リードフレーム、１４
・・・・ｎ型ＧａＰ層、　１５・・・・ｎ型ＧａＰ層、
１６・・・・金シリコン層、１７・・・・チタン層、１
８・・・・窒化チタン層、１９・・・・チタン層、２０
・・・・アルミニウム層。 代理人　弁理士　　梅　１）勝　　（他　２名）ＩＩＩ
図 ｌｕｍｌ ｖ；Ｒｈ （入）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、III−Ｖ族化合物半導体とオーム性接触を成す金を
   主成分とした合金層を第１層、チタン層を第２層、窒化
   チタン層を第３層、チタン層を第４層、アルミニウム層
   を第５層として順次積層して電極とし、上記第２層のチ
   タン層は３０Å乃至１０００Åの範囲の膜厚であること
   を特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体装置。