JPH10173235A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPH10173235A
JPH10173235A JP32632996A JP32632996A JPH10173235A JP H10173235 A JPH10173235 A JP H10173235A JP 32632996 A JP32632996 A JP 32632996A JP 32632996 A JP32632996 A JP 32632996A JP H10173235 A JPH10173235 A JP H10173235A
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雅之 園部
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毅 筒井
Norikazu Ito
範和 伊藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体層とコンタクトを取るためにサファイ
ア基板に設けられる孔が、半導体層が完全に露出し、か
つ、半導体層をエッチングし過ぎないように精密に形成
され、しかも、電流が均一に広がりながら機械的強度も
充分に得られるように形成され得る半導体発光素子を提
供する。 【解決手段】 絶縁基板1と、該絶縁基板上に発光層を
形成すべく積層される半導体層2〜5と、該半導体層の
上面に形成される上部電極8と、前記絶縁基板の裏面側
に設けられ、該基板のコンタクト孔1cを介して前記積
層される半導体層の下層部に接続される下部電極9とか
らなる半導体発光素子であって、前記絶縁基板はその裏
面側に段差が設けられ、該段差により薄くされた前記絶
縁基板の肉薄部分に半導体層を露出させるコンタクト孔
1cが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は絶縁基板上に半導体
層が積層されて発光層が形成される半導体発光素子に関
する。さらに詳しくは、積層される半導体層の下部の半
導体層に接続される電極が絶縁基板の裏面側に形成され
る半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体結晶層をエピタキシャル成長する
場合に、格子定数の関係から絶縁性の基板上に成長しな
ければならない場合がある。たとえば青色系発光素子用
のチッ化ガリウム系化合物半導体層は、チッ化ガリウム
系化合物半導体層を堆積するのに適当な半導体基板がな
く、サファイア(Al2 3 単結晶)基板上にエピタキ
シャル成長される。このチッ化ガリウム系化合物半導体
結晶層を用いた青色系の半導体発光素子の基本構造は、
たとえば図5に示されるような構造になっている。すな
わち、サファイア基板21上にたとえばn形のGaNか
らなる低温バッファ層22と、高温でGaNがエピタキ
シャル成長されたn形層(クラッド層)23と、バンド
ギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくな
る材料、たとえばInGaN系(InとGaの比率が種
々変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体
からなる活性層24と、p形のGaNからなるp形層
(クラッド層)25とからなり、その表面にp側(上
部)電極28が設けられ、積層された半導体層の一部が
エッチングされて露出したn形層23の表面にn側(下
部)電極29が設けられることにより形成されている。
【0003】この構造では、下部電極29を設けるため
積層された半導体層の一部をエッチングして除去しなけ
ればならない。また、組立工程でボンディングパッドや
基板上にボンディングする場合でもサファイア基板21
の裏面は絶縁性であり、ボンディングパッドと下部電極
29との間で金線などによりワイヤボンディングをしな
ければならない。このような不都合を解消するため、図
6(a)〜(b)に断面図が示されるように、サファイ
ア基板21の裏面からn形の低温バッファ層22が露出
するようにコンタクト孔を設け、その孔内に電極用金属
を蒸着することによりサファイア基板21の裏面側に下
部(n側)電極29を設ける構造のものも知られてい
る。図6(a)はコンタクト孔の直径がチップの一辺の
長さ(たとえば0.2〜1mm程度)の70〜80%程
度(たとえば150〜750μm程度)の大きな穴が設
けられる例で、図6(b)は穴の直径がチップの一辺の
長さの1/100程度(たとえば2〜10μm程度)と
小さい穴が設けられる例を示している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述のサファイア基板
にコンタクト孔を形成する場合、塩素ガスを用いてドラ
イエッチングにより行われるが、サファイアは非常に堅
くエッチングされにくい。このサファイア基板は素子の
強度を保つため、50〜100μm程度と厚く、この厚
いサファイア基板にその厚さの1/10程度以下の直径
のコンタクト孔を設けることは非常に難しい。しかも、
半導体層はサファイア基板よりエッチングレートが非常
に大きく、サファイア基板が残存せず丁度半導体層が露
出するように制御することが難しい。そのため、サファ
イアの一部が残ったり、半導体層までエッチングをし過
ぎるという問題がある。また、厚いサファイア基板に小
さいコンタクト孔をたくさん形成するのは困難で、孔の
数が少ないと、電流が孔の近くに集中してしまい、均一
に光らないという問題がある。
【0005】一方、前述の大きなコンタクト孔がサファ
イア基板に設けられると、サファイア基板の大部分がな
くなることになり、積層される半導体層の厚さは全部で
1〜5μm程度であるため、素子の機械的強度が非常に
弱くなり、ウェハから各チップに切断する際や、組立工
程の際に素子を破損するという問題がある。
【0006】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、半導体層とコンタクトを取るために絶
縁基板に設けられる孔が、半導体層が完全に露出し、か
つ、半導体層をエッチングし過ぎないように精密に形成
され、しかも、電流が均一に広がりながら機械的強度も
充分に得られるように形成され得る半導体発光素子を提
供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、絶縁基板と、該絶縁基板上に発光層を形成すべ
く積層される半導体層と、該半導体層の上面に形成され
る上部電極と、前記絶縁基板に設けられるコンタクト孔
を介して該絶縁基板の裏面側に設けられる下部電極とか
らなる半導体発光素子であって、前記絶縁基板はその裏
面側に段差が設けられ、該段差により薄くされた前記絶
縁基板の肉薄部分に半導体層を露出させるコンタクト孔
が設けられている。この構造にすることにより、薄くな
った基板部にコンタクト孔を形成することができるた
め、小さい径のコンタクト孔を精密に設けることができ
る。そのため、絶縁基板を広い範囲に亘って除去する大
きな形状のコンタクト孔にする必要がなく、機械的強度
が充分に得られると共に、発光特性も高く維持すること
ができる。
【0008】前記肉薄部分が前記半導体発光素子のチッ
プの中心部側に設けられ、前記コンタクト孔が複数個設
けられることにより、チップの周囲で機械的強度を充分
に保ちながらコンタクト孔を広い範囲でたくさん形成す
ることができ、電流の一点集中を避けることができる。
【0009】前記上部電極が前記半導体発光素子のチッ
プの外周部側に設けられ、かつ、下部電極がチップの中
心部に設けられたり、前記肉薄部が前記半導体発光素子
のチップの外周部側に設けられ、かつ、前記上部電極が
前記チップの中心部側に設けられることにより、電流が
チップ全体に広がりやすく発光効率を向上させることが
できる。
【0010】
【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の半導体発光素子について説明をする。図1には、た
とえば青色系発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導
体層がサファイア基板上に積層される本発明の半導体発
光素子の一実施形態の断面説明図およびその底面図が示
されている。
【0011】ここにチッ化ガリウム系化合物半導体と
は、III 族元素のGaとV族元素のNとの化合物または
III 族元素のGaの一部がAl、Inなどの他のIII 族
元素と置換したものおよび/またはV族元素のNの一部
がP、Asなどの他のV族元素と置換した化合物からな
る半導体をいう。
【0012】本発明の半導体発光素子は、図1に示され
るように、たとえばサファイア(Al2 3 単結晶)な
どからなる絶縁基板1の表面に発光層を形成する半導体
層2〜5が積層されて、その表面側の半導体層には拡散
メタル層7を介して上部電極(p側電極)8が形成され
ている。また、絶縁基板1には、その裏面から大きな径
の凹部から段階的に小さな径の凹部がエッチングにより
順次形成されて段差が設けられており、その段差による
絶縁基板1の肉薄部分に半導体層を露出させるコンタク
ト孔1cが設けられている。そして、階段状に設けられ
た凹部内に金属膜が設けられることにより、小さな径の
コンタクト孔1cで露出した半導体層と電気的に接続す
る下部電極(n側電極)9が設けられている。この径の
小さいコンタクト孔1cは、図1(b)に示されるよう
に、複数個設けられることにより、下部電極9が半導体
層と接触する面積を大きくしている。
【0013】絶縁基板1上に積層される半導体層は、た
とえばGaNからなる低温バッファ層2が0.01〜0.
2μm程度堆積され、ついでn形のクラッド層となるn
形層3が1〜5μm程度堆積され、さらに、バンドギャ
ップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材
料、たとえばInGaN系化合物半導体からなる活性層
4が0.05〜0.3μm程度、p形のAlGaN系(A
lとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下
同じ)化合物半導体層5aおよびGaN層5bからなる
p形層(クラッド層)5が0.2〜1μm程度、それぞ
れ順次積層されることにより構成されている。なお、p
形層5はAlGaN系化合物半導体層5aとGaN層5
bとの複層になっているが、キャリアの閉じ込め効果の
点からAlを含む層が設けられることが好ましいため
で、GaN層だけでもよい。また、n形層3にもAlG
aN系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、また
これらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成す
ることもできる。さらに、この例では、n形層とp形層
とで活性層が挟持されたダブルヘテロ接合構造である
が、n形層とp形層とが直接接合するpn接合構造のも
のでもよい。
【0014】絶縁基板1は、その厚さは100μm程度
にされてからエッチングが施され、最初に設けられる一
番大きな凹部1aの直径Bは、チップの一辺の大きさA
が0.2〜1mmに対して150〜750μm程度で、
その深さFが70μm程度に形成される。また、2番目
の凹部1bは、その直径Cが100〜500μm程度
で、1段目の穴の底からの深さGが20μm程度に形成
されている。そして、一番小さく形成されるコンタクト
孔1cはその直径Dが2〜10μm程度で、その深さH
は絶縁性基板1の残存している厚さで10μm程度であ
る。すなわち、凹部1a、1bまたはコンタクト孔1c
の径に対するエッチングの深さが極端に大きくならない
ように、凹部による段差が形成されて、薄くされた絶縁
基板1の肉薄部にコンタクト孔1cが形成されている。
【0015】本発明の半導体発光素子は、このように、
絶縁基板1の裏面側に下部電極9が設けられる場合に、
段々と小さくなる凹部による段差が形成され、薄くなっ
た絶縁基板1の肉薄部に径の小さいコンタクト孔1cが
設けられている。そのため、エッチングされる深さとそ
のエッチング部の直径とが比較的近く、エッチングの制
御が容易となる。その結果、エッチングのし難い絶縁基
板1をエッチングしながら、エッチングに対して弱い半
導体層にダメージを与えることなくその表面を露出させ
ることができる。
【0016】また、図1(b)に示されるように、コン
タクト孔1cが多数個設けられることにより、電流が一
部に集中しないで全体に広がりやすいため、均一な発光
が得られる。また、小さい径のコンタクト孔1cを多数
個設けることにより、半導体層が連続した大きな面積で
露出しないで絶縁基板1により保持されているため、ウ
ェハからの各チップへの切断時や組立工程での取扱時に
破損することがなく、また取扱が非常に容易となる。
【0017】つぎに、図1に示される半導体発光素子の
製法の具体例について図2を参照しながら説明をする。
【0018】まず、図2(a)に示されるように、サフ
ァイアからなる絶縁基板1上に、有機金属化学気相成長
法(MOCVD法)により、キャリアガスのH2 と共に
トリメチリガリウム(TMG)、アンモニア(NH3
などの成長ガスおよびn形にする場合のドーパントガス
としてのSiH4 などを供給して、GaN層からなる低
温バッファ層2を0.01〜0.2μm程度、同じ組成で
n形のn形層(クラッド層)3を1〜5μm程度成膜す
る。さらにドーパントガスをとめ、トリメチルインジウ
ム(以下、TMInという)を供給してInGaN系化
合物半導体からなる活性層4を0.05〜0.3μm程度
成膜する。ついで、反応ガスをTMInからトリメチル
アルミニウム(以下、TMAという)にし、ドーパント
ガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(以下、
Cp2 Mgという)またはジメチル亜鉛(DMZn)を
導入して、p形のAlGaN系化合物半導体層5aを
0.1〜0.5μm程度、さらに再度TMAを遮断してp
形のGaN層5bを0.1〜0.5μm程度成膜し、p形
層5を形成する。
【0019】つぎに、図2(b)に示されるように、絶
縁基板1を裏向きにしてレジスト膜(図示せず)を設
け、各チップ(一辺の長さが350μm程度)の中心部
に直径が250μm程度の開口部となるようにパターニ
ングをする。そして、アルゴンなどの不活性ガスに塩素
ガスなどの反応ガスを混入して反応性イオンエッチング
により70μm程度の深さだけエッチングをする。この
エッチングは、100μm程度の厚さの絶縁基板1の7
0%程度をエッチングするもので、しかもエッチング深
さの精度はそれ程厳密ではないため、加速電圧を高くし
てエッチングスピードを早くして行うことができ、30
〜300時間程度で行うことができる。その結果、凹部
1aがチップの中心部に形成される。
【0020】つぎに、絶縁基板1の裏面に再度レジスト
膜(図示せず)を設け、第1の凹部1aの中心部に直径
が200μm程度の開口部となるようにパターニングを
し、同様の反応性イオンエッチングを行うことにより、
図2(c)に示されるように、第2の凹部1bを20μ
m程度の深さ(図1のG)に形成する。この場合のエッ
チングもその深さはそれ程厳密ではないため、エッチン
グスピードを速くして行う。
【0021】その後、絶縁基板1の裏面に再度レジスト
膜(図示せず)を設け、第2の凹部1bの底面に5μm
程度の直径の開口部が均等に設けられるようにパターニ
ングをし、第2の凹部1bの底に10μm程度の厚さに
残った絶縁基板1に同様の反応性イオンエッチングを行
うことにより、図2(d)に示されるように、低温バッ
ファ層2が露出するコンタクト孔1cを形成する。この
エッチングの場合は、絶縁基板1であるサファイアがな
くなりGaNからなる半導体層が露出すると、半導体層
が急速にエッチングされやすいため、加速電圧を低くし
てたとえば0.01μm/分程度のレートでエッチング
を行う。
【0022】その後、図1に示されるように、積層され
た半導体層の表面にNiおよびAuを蒸着して厚さが2
〜100nm程度の拡散メタル層7を設け、さらにTi
およびAuを蒸着してパターニングをすることにより上
部電極8を形成し、さらに絶縁基板1の裏面にTiおよ
びAuを蒸着して下部電極9を形成する。ついで、各チ
ップにブレークすることにより、半導体発光素子のチッ
プが形成される。
【0023】図3に示される例は、図1の変形例で、上
部電極8がチップの中心部ではなくて、外周部に設けら
れている。図1に示されるように、上部電極8および下
部電極9が共にチップの中心部に設けられると、発光層
となる活性層4部の電流通路が中心部に集中し、周囲に
電流が流れ難く、チップ全面での発光をし難い。しか
し、図3に示されるように、上部電極8がチップの外周
に沿って設けられ、下部電極9がチップの中心部に設け
られることにより、電流がチップ全体に広がりやすく発
光効率が向上する。
【0024】図4は、図3と同様に電流通路をチップ全
体に広げる他の構造例で、上部電極8をチップの中心部
に設け、下部電極9をチップの外周部に設けたものであ
る。すなわち、チップの外周部の絶縁基板1をエッチン
グすることにより段差を形成し、その外周部の肉薄部に
コンタクト孔1cが設けられたものである。この構造に
しても図3の例と同様に、電流がチップをクロスする方
向に流れるため広がり、チップ全体で発光しやすい。こ
の場合、外周部に設けられるコンタクト孔1cは、図1
に示されるような小さい径のものを多数個均等に設ける
こともできるし、チップの周囲に細い幅でリング状に設
けることもできる。ウェハから各チップに切断分離する
場合、絶縁基板1の裏面をスライシングし(ダイヤモン
ドペンで線を入れる)て割る方法により行われるため、
この例のように、チップの外周部で絶縁基板1が薄くな
っていると、ウェハから各チップに分離する作業が容易
になる。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、サファイア基板のよう
な硬い絶縁基板上に半導体層が積層される半導体発光素
子でも、基板強度を弱めることなく、かつ、発光の均一
性を損なうことなく、裏面側に一方の電極を設けること
ができる。そのため、リードフレームなどの基板上に直
接ボンディングをすることができ、組立工程が非常に簡
略化されながら、特性の優れた半導体発光素子が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体発光素子の一実施形態の説明図
である。
【図2】図1の半導体発光素子の製造工程を示す図であ
る。
【図3】図1の半導体発光素子の変形例を示す図であ
る。
【図4】図1の半導体発光素子の他の変形例を示す図で
ある。
【図5】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図であ
る。
【図6】従来の半導体発光素子の他の例の説明図であ
る。
【符号の説明】
1 絶縁基板 1a 第1の凹部 1b 第2の凹部 1c コンタクト孔 7 上部電極 8 下部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 筒井 毅 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 (72)発明者 伊藤 範和 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板と、該絶縁基板上に発光層を形
    成すべく積層される半導体層と、該半導体層の上面に形
    成される上部電極と、前記絶縁基板の裏面側に設けら
    れ、該基板のコンタクト孔を介して前記積層される半導
    体層の下層部に接続される下部電極とからなる半導体発
    光素子であって、前記絶縁基板はその裏面側に段差が設
    けられ、該段差により薄くされた前記絶縁基板の肉薄部
    分に半導体層を露出させるコンタクト孔が設けられてな
    る半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 前記肉薄部分が前記半導体発光素子のチ
    ップの中心部側に設けられ、前記コンタクト孔が複数個
    設けられてなる請求項1記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 前記上部電極が前記半導体発光素子のチ
    ップの外周部側に設けられてなる請求項2記載の半導体
    発光素子。
  4. 【請求項4】 前記肉薄部が前記半導体発光素子のチッ
    プの外周部側に設けられ、かつ、前記上部電極が前記チ
    ップの中心部側に設けられてなる請求項1記載の半導体
    発光素子。
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