WO2012120894A1 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)発光部を含む半導体層と、該半導体層上に位置するパッド電極と、を有する半導体発光素子であって、前記半導体層と前記パッド電極との間に、前記半導体層上に位置する電流遮断層としての透光性絶縁層、および、該透光性絶縁層上に位置する反射層、を含む反射部と、前記半導体層上に位置し、前記反射部と接するオーミック電極からなるコンタクト部と、を有し、前記反射層と前記パッド電極との間に、導電性硬質膜を有し、該導電性硬質膜のビッカース硬度をHV(Hv)、厚さをt(μm)としたときに、HV×t>630であることを特徴とする半導体発光素子。
本発明の一実施形態である半導体発光素子100は、図1に示すとおり、発光部を含む半導体層104と、該半導体層104上に位置するパッド電極105と、を有する。半導体発光素子100は、半導体層104とパッド電極105との間に、反射部108とオーミック電極(コンタクト部)109とを有する。反射部108は、半導体層104上に位置する電流遮断層としての透光性絶縁層106、および、該透光性絶縁層上に位置する反射層107、を含む。コンタクト部は、半導体層104上に位置し、反射部108と接するオーミック電極109からなる。ここで、半導体発光素子100は、反射層107とパッド電極105との間に、ビッカース硬度をHV(Hv)、厚さをt(μm)としたときに、HV×t>630となる導電性硬質膜110を有することを特徴とし、このような構成を採用することにより、ワイヤーボンディング時のパッド電極105への押圧でパッド電極105が変形しても、導電性硬質膜110では変形が抑制されるため、密着性の低い反射層107/透光性絶縁層106界面および透光性絶縁層106/半導体層104界面における剥離を抑制することができる。一方で、半導体発光素子100は、図3の半導体発光素子300と同様に、パッド電極105による遮光の程度を最小限に抑えることができる。
Handbook of refractory carbides and nitrides: properties, characteristics, processing and applications / Hugh O. Pierson (1996)
Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys American Society for Metals, Metals Parrk, OH (1988)
Vdh=(ρh×th/Sh)×I
ρh:導電性硬質膜の抵抗率(Ω・m)
th:導電性硬質膜の厚さ(m)
Sh:導電性硬質膜の面積(m2)
I:通電電流(A)
通電電流は、例えばLED素子の定格電流以下といった常識的な範囲に限られる。また、半導体層の閾値電圧は、理想的にはLED素子の電流-電圧特性から求められるが、実際のLED素子の電流-電圧特性には寄生抵抗等の影響もあるため、本明細書では簡易的に、主発光波長に相当する光のエネルギーを電荷qで割ったものとして定義する。
次に、半導体発光素子100の製造方法の一例を、図3を用いて説明する。まず、図3(a)に示すように、GaAs基板などの成長用基板120上に半導体層104を形成する。半導体層104は、既述のような材料からなるn型半導体層101、発光層102およびp型半導体層103をこの順に、例えばMOCVD法などによりエピタキシャル成長させて形成する。
図3に示す方法で本発明に従う半導体発光素子を作製した。まず、GaAsからなる成長用基板上に、MOCVD法により、n型半導体層(厚さ:7.5μm、AlGaAs材料)、発光層(総厚:50nm、AlGaInAs材料)およびp型半導体層(厚さ:2μm、AlGaAs材料)からなる半導体層を形成した。次に、p型半導体層上にAuZn(厚さ:200nm)を抵抗加熱による蒸着法により成膜し、フォトリソグラフィーによりパターニングし、420℃でコンタクトアニールを行い、オーミック電極を形成した。その後、プラズマCVD法によりオーミック電極が形成されないp型半導体層上にSiNからなる絶縁膜を形成した。その後、反射層(厚さ:750nm、Au材料)を電子ビーム蒸着法により形成した。さらに、半導体層側接合層として、Ti/Au(厚さ:100nm/1μm)を蒸着により形成した。
導電性硬質膜であるTiNの厚さを0.75μmとした以外は実施例1の方法により、本発明に従う半導体発光素子を作製した。HV×t=1575となる。
導電性硬質膜であるTiNの厚さを1.00μmとした以外は実施例1の方法により、本発明に従う半導体発光素子を作製した。HV×t=2100となる。
ターゲットをTiに替えて純タングステン(W)ターゲット(純度3N、高純度化学研究所製)とし、室温でAr雰囲気下でスパッタを行い、厚さを2.00μmの純W膜を導電性硬質膜とした以外は、実施例1の方法により、本発明に従う半導体発光素子を作成した。タングステンのビッカース硬度HVは350Hvのため、HV×t=700となる。
透光性絶縁層、反射層、および導電性硬質膜を形成しない以外は実施例1の方法により、パッド部の層構造が図4(a)に示すような半導体発光素子200を作製した。この半導体素子200は、半導体層204上に開口部を有しない円形電極(AuGe/Ni/Au材料)からなるオーミック電極209を形成し、その上にパッド電極205を形成した。
導電性硬質膜を形成しない以外は実施例1の方法により、パッド部の層構造が図4(b)に示すような半導体発光素子300を作製した。この半導体発光素子300は、半導体層304上に、透光性絶縁層306/反射層307からなる反射部とオーミック電極309からなるコンタクト部とを形成し、導電性硬質膜を形成することなく、パッド電極305を形成した。
導電性硬質膜であるTiNに替えて、厚さ1.00μmのPtを電子ビーム蒸着により形成した以外は、実施例1の方法により、パッド部の構造が図4(c)に示すような半導体発光素子400を作製した。この半導体発光素子400は、半導体層404上に、透光性絶縁層406/反射層407からなる反射部とオーミック電極409からなるコンタクト部とを形成し、Pt膜410を形成した後、パッド電極405を形成した。Ptのビッカース硬度は41Hvであるため、HV×t=41となる。
実施例1の導電性硬質膜部分にタングステン(W)を厚さ1.00μmで形成した以外は実施例1の方法により、半導体発光素子を作製した。HV×t=350となる。
導電性硬質膜であるTiNの厚さを0.10μmとした以外は実施例1の方法により、半導体発光素子を作製した。TiNのビッカース硬度HVは2100Hvであるため、HV×t=210となる。
導電性硬質膜であるTiNの厚さを0.30μmとした以外は実施例1の方法により、半導体発光素子を作製した。HV×t=630となる。
さらに参考例として、HV×tの境界値の確認のため、ビッカース硬度がWとTiNの中間にある、蒸着したSi膜を硬質膜として導入した素子を形成した。蒸着したSi膜は半絶縁性であるため、請求項の「導電性硬質膜」に該当するものではなく、あくまでも剥離防止効果の確認として実施した。Siは電子ビーム蒸着により、10Å/secのレートにて蒸着した。蒸着開始真空度は1.0E-4(Pa)、基板温度は25~35℃にて蒸着した。蒸着Si膜は、超微小硬度計にてビッカース硬度を計測し、HV=1150であった。
導電性硬質膜であるTiNに替えて、厚さ0.4μmのSiを電子ビーム蒸着により形成した以外は、実施例1の方法により、半導体発光素子を作製した。HV×t=460となる。
導電性硬質膜であるTiNに替えて、厚さ0.6μmのSiを電子ビーム蒸着により形成した以外は、実施例1の方法により、半導体発光素子を作製した。HV×t=690となる。
導電性硬質膜であるTiNに替えて、厚さ0.8μmのSiを電子ビーム蒸着により形成した以外は、実施例1の方法により、半導体発光素子を作製した。HV×t=920となる。
実施例1~4、比較例1~6および参考例1~3の半導体発光素子をそれぞれ20個作製し、それぞれについてワイヤーボンディングを行った。
表1に示すとおり、比較例1は他の試験例に比べて順方向電圧Vfおよび発光出力Poが低い。これは、パッド部直下に透光性絶縁膜および反射層を設けなかったためである。一方、比較例2は、パッド部直下に透光性絶縁膜および反射層を設けたため、比較例1に比べて高出力を得ることができた。しかしながら、ワイヤーボンディング後には、一部の試料でパッド部に剥離が見られ、ボールシェア試験後には全ての試料でパッド部に絶縁膜からの剥離が生じた。ボールシェア強度も低かった。このようにボンディング後に剥離が発生するようなことは製品としては不適切であり、ボンディング後剥離率は0%であることが望まれる。
101 n型半導体層(第1導電型半導体層)
102 発光層(発光部)
103 p型半導体層(第2導電型半導体層)
104 半導体層
105 パッド電極
106 透光性絶縁層
107 反射層
108 反射部
109 オーミック電極(コンタクト部)
110 導電性硬質膜
111 オーミック電極
112 絶縁膜
113 反射層
114 金属接合層
115 支持基板
116 下部電極
Claims (10)
- 発光部を含む半導体層と、該半導体層上に位置するパッド電極と、を有する半導体発光素子であって、
前記半導体層と前記パッド電極との間に、
前記半導体層上に位置する電流遮断層としての透光性絶縁層、および、該透光性絶縁層上に位置する反射層、を含む反射部と、
前記半導体層上に位置し、前記反射部と接するオーミック電極からなるコンタクト部と、を有し、
前記反射層と前記パッド電極との間に導電性硬質膜を有し、該導電性硬質膜のビッカース硬度をHV(Hv)、厚さをt(μm)としたときに、HV×t>630であることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記導電性硬質膜が、前記パッド電極および前記反射層のいずれのビッカース硬度よりも高いビッカース硬度HVを有する請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性硬質膜のビッカース硬度HVが、600Hv以上である請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性硬質膜の厚さtが、0.3μm以上である請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性硬質膜の厚さtが、2μm以下である請求項1~4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性硬質膜が、Ti,Ta,Cr,W,Mo,Vのいずれかを含む単体または窒化物である請求項1~5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性硬質膜の通電時の電圧降下が、前記半導体層での閾値電圧以下である請求項1~6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性硬質膜が、前記反射層の全ておよび前記オーミック電極の少なくとも一部を覆う請求項1~7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記オーミック電極が前記反射部を取り囲むように形成される請求項1~8のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 発光部を含む半導体層と、該半導体層上に位置するパッド電極と、を有する半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体層を形成する工程と、
該半導体層上に所定パターンのオーミック電極からなるコンタクト部を形成する工程と、
前記半導体層上に電流遮断層としての透光性絶縁層を形成し、該透光性絶縁層上に反射層を形成することにより、前記コンタクト部と接する反射部を形成する工程と、
前記反射層上に、ビッカース硬度をHV(Hv)、厚さをt(μm)としたときに、HV×t>630となる導電性硬質膜を形成する工程と、
該導電性硬質膜上に、前記パッド電極を形成する工程と、と有する半導体発光素子の製造方法。
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