JP4622426B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体などを用いて形成される半導体発光素子に関するもので、特に、半導体発光素子上に形成された電極層により活性層で発光した光を反射させて光を外部に効率よく取り出すタイプの半導体発光素子における電気的、光学的、信頼性に優れた電極材料及び電極構造に関するものである。

近年の半導体発光素子の進展は著しく、特に発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）は、小型、低消費電力、高信頼性などの特徴を備え、広く表示用光源として用いられている。実用化されているＬＥＤの材料は、３−５族化合物半導体が用いられ、その中でも窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））は紫外領域からオレンジ色域をカバーする直接遷移型の半導体であり、現在では、主に青色、緑色のＬＥＤとして用いられ、屋外表示器や交通信号機へ数多く用いられている。また、紫外領域を含め更なる高効率化が進むことにより、蛍光灯に用いられる蛍光体の励起光源としても大きな可能性を有しており、水銀（Ｈｇ）フリーへの環境面での期待も相俟って精力的に開発が進められている。
一般的には、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体層をサファイア基板などの基板上に結晶成長させ、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体と、活性層とｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体とを順次積層した構造となっている。このような構造の発光素子では、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体からの電子とｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体からの正孔が活性層内で再結合し、活性層で生じた光が外部に取り出されることになる。

このような構造の半導体発光素子では、活性層の上側に向かう光を取り出す構造や、活性層の下側に向かう光を透明性の基板を介して取り出す構造が知られている。特に透明性の基板を介して光を取り出す構造（以下、この構造を「フリップチップ型」という）においては、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体上に形成される電極層を反射層として用いた構造となっている。一般的にｎ型、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に対する電極を同一平面上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、フリップチップ型は、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層上に透光性の電極を設ける構造に比べ、透光性の電極における光の吸収やボンディングなど目的で形成される透光性の電極上の厚膜パッド電極における光の遮蔽がなく、活性層で生じた光を効率よく外部に取り出すことができる利点を有している。このフリップチップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の電極材料及び電極構造については以下の文献に記載される半導体発光素子が知られている。
特開平６−２３２４５０号公報 ｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体上に２０μｍ以下の幅の金（Ａｕ）／ニッケル（Ｎｉ）からなる電極を付着した後にアニーリングし、その上にＡｕ、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導電性材料を蒸着する。 特開２０００−３６６１９号公報 フリップチップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に形成する電極を厚膜の銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）を用いる、若しくはｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層と前記厚膜の電極との間に、コバルト（Ｃｏ）、Ｎｉを用いる。 特開２００１−２１７４６１号公報 フリップチップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に形成する電極として、窒化ガリウム系化合物半導体層にオーミック接続可能な金属材料によるコンタクト層と、その上に反射率の高いＡｇによる反射層と、その上にＮｉの保護膜からなる構造を用いる。この場合、オーミック接続可能な金属材料としては、Ｎｉ、Ｃｏ、アンチモン（Ｓｂ）が開示されている。 特開２００３−２２４２９７号公報 フリップチップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層上に透光性のオーミック電極を形成し、透光性のオーミック電極を透光性絶縁膜を介して反射層により覆う構造が開示されている。この場合、透光性のオーミック電極としては、Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ａｕが、透光性絶縁膜としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２が、反射層としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈが開示されている。 特開２００４−７１６５５号公報 フリップチップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成する電極として開口部を有する接触抵抗の低いＮｉ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄから選択される第1の部材と第1の電極部材上に形成され、第1の電極部材の開口部を充填するＡｇを主成分とする第２の部材からなる構成が開示されている。。

一般的に、窒化ガリウム系化合物半導体層を含む化合物半導体の場合、金属電極を半導体上に形成しただけでは、化合物半導体と金属との界面に存在するショットキー障壁によりオーミック特性を得ることができず、前記障壁を除去するための熱処理（「シンター」、「アニール」、「アロイ」、「合金化」ともいう）が必要である。ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に対する良好なオーミック特性を得ることが可能な金属材料としては、金属の仕事関数の大きなＡｕ、Ｎｉ、Ａｇなどが良いと言われている。一方、フリップチップ型の発光素子においては、活性層での発光を電極で反射させて取り出す構造を採っているため、電極若しくは電極構造においては、良好なオーミック特性を得ると同時に、活性層での発光の波長に対して高い反射率が要求される。

下記表に４種類の波長に対する各種金属膜の反射率（％）のデータを示す。

ところで、窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））の発光色は紫外領域からオレンジ色域をカバーするため、反射率の観点からは上記表によれば、Ａｌ、Ａｇが優れていることになる。しかし、Ａｌは、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体に対して良好なオーミック特性を得ることができず、Ａｇ原子ではエレクトロマイグレーションおよびイオンマイグレーションが顕著であるため、電気的及び信頼性で課題がある。

一方、上記特許文献に開示された電極材料及び電極構造については、特許文献１に開示されているＡｕ／Ｎｉからなる電極上のＡｕ、インジウム（Ｉｎ）、Ａｌ等の導電性材料に関しては、Ａｕ／Ｎｉは光の反射率が弱く、その上に形成されるＡｕ、Ｉｎ、ＡｌのうちのＡｌについては、反射率は高いものの窒化ガリウム系化合物半導体との接触による界面でのＡｌＮ形成、即ち、Ａｌ／ＧａＮ→ＡｌＮ／Ｇａの変化も懸念され、電気的及び信頼性で課題がある。また、特許文献２に開示されているｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に形成する電極を厚膜の銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）を用いる、若しくはｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層と前記厚膜の電極との間に、コバルト（Ｃｏ）、Ｎｉを用いることについては、Ａｇについては前述のような課題を有しており、他の金属については反射率が低い課題がある。更にＣｏやＮｉが介在される構造に至ってはＣｏやＮｉにおける光の吸収が避けられない。これは特許文献３や特許文献４に開示されている構造においても同様な課題である。さらに、特許文献５に開示された電極においても、ＲｈとＡｇとの合金化による駆動電圧の上昇やＡｇのマイグレーションを避けることができず、電気的および信頼性での課題を有している。従って、本発明の目的は、フリップチップ構造を有する半導体発光素子において、電気的、光学的、信頼性の総合面で優れた電極材料及び電極構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、請求項１によれば、半導体層とその半導体層に接続する電極とを備えた半導体発光素子であって、該電極構造は、該半導体層が部分的に露出するように形成される該半導体とオーミック特性に優れた第１の金属と、その上に形成される透光性の絶縁膜と、その上に形成され、前記第１の金属と離反して設けられて電気的に接続せず、該半導体素子で生ずる発光の波長に対して第１の金属に比較して高反射率の第２の金属と、露出している前記第２の金属及び前記絶縁膜を被覆して、前記第１の金属と電気的に接続する第３の金属とを有することを特徴とする。これらの電極材料及び電極構造により、電気的には第１の金属により半導体層との間で良好なオーミック特性を得ることができ、駆動電圧を低下させることができる。また、第１の電極を半導体層が部分的に露出するように形成しているので、反射率のやや低い第１の金属の半導体層に対する面積を小さくすることができ、活性層での発光を露出部から通過させ、反射率の高い第２の金属で効率良く反射させ、再度、半導体層内に戻し、最終的には透光性の基板を介して外部に放射することができる。さらに、この電極構造では、高反射率の第２の金属が透光性の絶縁膜を介することにより、第１の金属や半導体層と電気的に接触しない構造になっているので、第１の金属との合金化による駆動電圧の上昇や半導体との界面変化の懸念も生じることなく、電気的、光学的、信頼性で優れた電極材料及び電極構造となっている。ここで、第１の金属を半導体層が部分的に露出するように形成するとは、第１の金属の占める面積を出来る限り少なくし、活性層での発光を露出部から積極的に通過させることを意図している。従って、露出する半導体層の面積と半導体層の面積との比（露出する半導体層の面積／半導体層の面積）は、０．１以上０.７以下が望ましい。０．１を下回ると高反射率の第２の金属の効果が少なくなり、０.７を上回ると第１の金属による十分なオーミック特性を得られ難くなるからである。なお、第１の金属は、発光に対して透光性でもよく、不透光性でもよいが、光の有効利用という観点では、透光性の方が第２の金属による反射を利用できるので望ましく、そのための膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍが望ましい。１ｎｍ未満ではオーミック特性が得られ難く、１０ｎｍを超えると光の吸収が著しいからである。但し、反射率に関し、第２の金属には及ばないものの比較的反射率の高い、例えば、Ｒｈなどを用いる場合は、反射を利用する方が望ましく、膜厚は、１０ｎｍ以上が望ましい。さらに、電気的に接続しないとは、構造上は接続若しくは接合する場合であっても電流が流れないことを意味する。前記第２の金属の上に形成され、前記第２の金属とは電気的に接続せず、前記第１の金属と電気的に接続する第３の金属を有する。この構造においては、第２の金属は、第３の金属を介して、構造上は第１の金属に接続している。しかし、電流は第３の金属から第１の金属に流れるので、第２の金属は第１の金属とは電気的に接続していない。これらの電極材料及び電極構造により、半導体発光素子をリードフレームや基材に実装することが可能となり、電気的、光学的、信頼性に優れたＬＥＤランプを作製することができる。
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、請求項２によれば、前記第２の金属は、少なくともアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）若しくはＡｇを含む合金を第１の金属側に有することを特徴とする。これにより、広い発光波長領域で高い反射率を実現することが可能となる。なお、前述において、Ａｇに対し、エレクトロマイグレーションおよびイオンマイグレーションの課題を指摘したが、本発明の構造においては、Ａｇは構造的には、第１および第３の金属に接続しているが、電流は、第３の金属から第１の金属に流れ、Ａｇには電流が流れないので、Ａｇにおけるエレクトロマイグレーションおよびイオンマイグレーション発生の可能性を大幅に低下させることができる。さらに、窒化ガリウム系化合物半導体においては、２８０ｎｍのディープな紫外領域の発光も可能であり、この場合は、Ａｌを第２の金属として用いることにより紫外領域の発光への対応も可能となる。
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、請求項３によれば、前記絶縁膜は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳＯＧの少なくとも１種類もしくはこれらの多層膜であることを特徴とする。これにより、活性層での発光を減衰なく高反射率第２の金属に導くことができる。
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、請求項４によれば、前記第３の金属は、第２の金属を含有しない金属であることを特徴とする。これにより、発光素子をリードフレームや基材に実装することが可能となり、電気的、光学的、信頼性で優れたＬＥＤランプを作製することができる。なお、リードフレームや基材に実装する場合は、主にＡｕからなるバンプや半田を用いて行われるが、この場合、第３の金属としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕを主成分として用いることが望ましい。
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、請求項５によれば、前記半導体層は、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層であり、前記第１の金属は、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕから選択された少なくとも１つの金属を含むことを特徴とする。特にｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に対しては、これらの金属を用いることにより、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に良好なオーミック接触を容易に得ることができる。ここで、窒化ガリウム系化合物半導体はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表すことができ、ＧａＮのみならず、ＡｌＮ、ＩｎＮの２元化合物、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮの３元化合物、ＡｌＧａＩｎＮの４元化合物を含むものである。
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、請求項７によれば、前記第1の金属は、網目状、島状（ドット状）、短冊状の少なくとも１種類もしくはこれらの組合わせの形状であることを特徴とする。

請求項１乃至請求項７の発明は、半導体層とその半導体層に接続する電極とを備えた半導体発光素子であって、第１の金属を半導体層との間で良好なオーミック特性が得られる材料を用いることで駆動電圧を低下させるとともに、第１の電極を半導体層が部分的に露出するように形成しているので、活性層での発光を露出部から通過させ、反射率の高い第２の金属で効率良く反射させ、再度、半導体層内に戻し、最終的には透光性の基板を介して外部に放射することができ、さらに、高反射率の第２の金属が透光性の絶縁膜を介することにより、第１の金属や半導体層と電気的に接触しない構造になっているので、第１の金属との合金化による駆動電圧の上昇や半導体との界面変化の懸念も生じることもないので、電気的、光学的、信頼性の総合面で優れた効果を有する。

（窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長）
窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる基板としてはサファイア基板１０を用い、洗浄及び気相エッチングの後、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、ＡｌＮからなる約２０ｎｍの低温堆積バッファ層１１、Ｓｉをドープした約４μｍのＧａＮからなるｎ型層１２、ＧａＮとＧａＩｎＮからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１３、Ｍｇをドープした６０ｎｍのＡｌＧａＮからなるｐ型層１４、Ｍｇをドープした１５０ｎｍのＧａＮからなるｐ型層１５を順次形成した（図１）。なお、２８０ｎｍの発光波長を得る場合は、ｎ型層１２としてＳｉをドープしたＡｌＧａＩｎＮ層を用い、更にＡｌＧａＩｎＮによる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１３を用いた。

（電極形成のためのエッチング）
上記で得られた試料を、各素子ごとに、ｎ型層１２の表面を露出させる部分を除いてマスクを形成し、マスクの形成されていない部分をｎ型層１２の途中までドライエッチング法によりエッチング除去した後、マスクを除去した（図２）。

（第１の金属の形成（網目状））
次に、各素子ごとに、ｐ型層１５上に第１の金属を形成する部分を除いて網目状のマスクを形成し、蒸着法によりＲｈを約４００ｎｍの厚さで、幅が２．０μｍのＡ部と間隔が４．０μｍのＢ部からなる第１の金属１６を形成した後、マスクを除去した（図３）、（図４）。

（ｎ型層への電極形成）
次に、各素子ごとに、ｎ型層１２上に電極を形成する部分を除いてマスクを形成し、蒸着法によりＶを約２０ｎｍ、Ａｌを約１００ｎｍ、Ｔｉを約５ｎｍの厚さでｎ型層への電極１７を形成した後、マスクを除去した（図５）。

（熱処理の実施）
次に半導体と第１の金属１６、ｎ型層への電極１７界面に存在するショットキー障壁を除去し、オーミック特性を得るために、窒素中、約６００℃で、約３０分間熱処理した。

（透光性の絶縁膜の形成）
次に、各素子ごとに、ｐ型層１５上及び第１の金属１６上に透光性の絶縁膜を形成する部分を除いてマスクを形成し、ＣＶＤ法でＳｉＯ_２を約２００ｎｍの厚さでを形成し、透光性の絶縁膜１８とした後、マスクを除去した（図６）。

（第２の金属の形成）
次に、各素子ごとに、ＳｉＯ_２上に第２の金属を形成する部分を除いてマスクを形成し、第２の金属としてＡｌを用い、蒸着法によりＡｌを約３００ｎｍの厚さで第２の金属１９を形成した後、マスクを除去した（図７）。なお、発光波長が４００ｎｍを越える場合は、第２の金属としては、下記の比較例（３）との関係で、Ａｇを用いた。

（第３の金属の形成）
次に、各素子ごとに、ｎ型層への電極１７、第１の金属１６、絶縁膜１８、第２の金属１９上に第３の金属を形成する部分を除いてマスクを形成し、第３の金属としてＡｕを用い、蒸着法によりＡｕを約６００ｎｍの厚さで第３の金属２０を形成した後、マスクを除去した（図８）。

（ＬＥＤランプの作製）
次に、ウエハを通常のスクライブ法により各素子に分離して半導体発光素子３０とし、合成樹脂板の表裏面の所定の位置に導電ペーストを使用して第１の電極端子２１と第２の電極端子２２を形成した基材２３（第１の電極端子２１と第２の電極端子２２は電気的に隔離されており、合成樹脂板の表面から裏面にかけて形成されている）上にＡｕからなるバンプ２４を介して、圧着した。最後に、透明なエポキシ樹脂からなる封止材２５で半導体発光素子３０の周囲を封止し、ＬＥＤランプ４０を完成させた（図９）。なお、紫外領域の発光の場合は、封止材２５としてエポキシ樹脂に替わり、シリコーン樹脂を用いてもよい。

（実施の形態２）
第１の金属を島状（ドット状）に形成する場合も可能である（図１０）、（図１１）。前述の場合が、第１の金属と第３の金属の接続部が、第１の金属の周囲であったのに対し、この形態では、島状（ドット状）に形成された第１の金属全てに対して第３の金属との接続部を有する点が異なる。

（結果）
発明を実施するための最良の形態および実施の形態２を従来用いられている、（１）ｐ型のＧａＮ層上に形成されたＲｈ電極の場合、（２）（１）においてｐ型のＧａＮ層とＲｈ電極との間にＮｉからなる薄膜層を形成した場合、および特許文献５に開示された（３）島状（ドット状）のＲｈにＡｇを形成した場合、と比較した（図１２）。図１２から本件発明の電極材料および電極構造が他の場合に比べ、電気的、光学的、信頼性の総合面で優れていることが分かる。なお、図内の数値は発明を実施するための最良の形態および実施の形態２の結果を１．０とした場合の相対値である。

発明を実施するための最良の形態における窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長後の断面図である。 発明を実施するための最良の形態におけるｎ型層１２を露出させた後の断面図である。 発明を実施するための最良の形態におけるｐ型層１５の上に第１の金属１６を形成した後の平面図である。 図３のａ−ａ線についての断面図である。 発明を実施するための最良の形態におけるｎ型層１２の上に電極１７を形成した後の断面図である。 発明を実施するための最良の形態における絶縁膜１８を形成した後の断面図である。 発明を実施するための最良の形態における第２の金属１９を形成した後の断面図である。 発明を実施するための最良の形態における第３の金属２０を形成した後の断面図である。 発明を実施するための最良の形態における半導体発光素子３０を封止材２５で封止したＬＥＤランプ４０の断面図である。 本発明の実施の形態２における第１の金属１６を島状（ドット状）に形成し、ｎ型層１２の上に電極１７を形成した後の平面図である。 本発明の実施の形態２における第１の金属１６を島状（ドット状）に形成した場合の第３の金属２０を形成した後の断面図である。 結果の比較を示す図である。

符号の説明

１０ サファイア基板
１１ ＡｌＮバッファ層
１２ ｎ型層
１３ 活性層
１４ ｐ型層
１５ ｐ型層
１６ 第１の金属
１７ ｎ型層に対する電極
１８ 絶縁膜
１９ 第２の金属
２０ 第３の金属
２１ 第１の電極端子
２２ 第２の電極端子
２３ 基材
２４ Ａｕからなるバンプ
２５ 封止材
３０ 半導体発光素子
４０ ＬＥＤランプ

Claims (6)

1. 半導体層とその半導体層に接続する電極とを備えた半導体発光素子であって、該電極構造は、該半導体層が部分的に露出するように形成される該半導体とオーミック特性に優れた第１の金属と、
   その上に形成される透光性の絶縁膜と、
   その上に形成され、前記第１の金属と離反して設けられて電気的に接続せず、該半導体素子で生ずる発光の波長に対して第１の金属に比較して高反射率の第２の金属と、
   露出している前記第２の金属及び前記絶縁膜を被覆して、前記第１の金属と電気的に接続する第３の金属と
   を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第２の金属は、少なくともアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）若しくはＡｇを含む合金を第１の金属側に有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記絶縁膜は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳＯＧの少なくとも１種類もしくはこれらの多層膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第３の金属は、第２の金属を含有しない金属であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記半導体層は、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層であり、前記第１の金属は、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）から選択された少なくとも１つの金属を含むことを特徴とする請求項１乃至４に記載の半導体発光素子。
6. 前記第1の金属は、網目状、島状（ドット状）、短冊状の少なくとも１種類もしくはこれらの組合わせの形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の半導体発光素子。
   

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