(57)【要約】【課題】実装基板等とのバンプ接合時に面積の小さな電極側で接合不良やボイドが生じることのない発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】発光素子１は、ｎ側電極２０と、ｎ側電極２０と同じ側に形成されｎ側電極２０よりも面積が小さいｐ側電極１０と、ｐ側電極１０上に形成されるｐ側バンプ３０と、ｎ側電極２０上に形成されｐ側バンプ３０よりも上端の高さが高いｎ側バンプ４０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極と同じ側に形成され、前記第１電極よりも面積が小さい第２電極と、
前記第１電極上に形成される第１バンプと、
前記第２電極上に形成され、前記第１バンプよりも上端の高さが高い第２バンプと、を備える発光素子。
【請求項２】
前記第２電極の上面に、溶融した前記第２バンプを受容可能な凹部を形成した請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
ｎ型コンタクト層と、ｎ型クラッド層と、発光層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層を備え、
前記第１電極は、ｐ型コンタクト層上に形成され、
前記第２電極は、ｎ型コンタクト層上に形成される請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
成長基板上にｎ型コンタクト層と、ｎ型クラッド層と、発光層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層を成長する成長工程と、
前記III族窒化物半導体層の前記ｐ型コンタクト層、前記ｐ型クラッド層、前記発光層及び前記ｎ型クラッド層の一部を切除して前記ｎ型コンタクト層を露出させる露出工程と、
前記ｐ型コンタクト層上にｐ側電極を形成し、前記ｎ型コンタクト層上に前記ｐ側電極よりも面積が小さいｎ側電極を形成する電極形成工程と、
前記ｐ側電極上にｐ側バンプを形成し、前記ｎ側電極上に前記ｐ側バンプよりも上端が高いｎ側バンプを形成するバンプ形成工程と、を含む発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記電極形成工程にて、前記ｎ側電極の表面に、溶融した前記ｎ側バンプを受容可能な凹部を形成する請求項４に記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの電極が同じ側に形成される発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光ダイオード素子等の発光素子では、フリップチップタイプのように、ｎ側とｐ側の２つの電極を同じ側に形成するものが知られている（特許文献１から３参照）。特許文献１では、ｎ側電極とｐ側電極の上にｎ側バンプとｐ側バンプが形成され、ｐ側バンプの上面がｎ側バンプの上面よりも高くなっている。また、特許文献２及び３では、ｐ側バンプの上面とｎ側バンプの上面とが同じ高さとなっている。
【特許文献１】特開平１１−１９１６４１号公報
【特許文献２】特開２００４−１５３１１０号公報
【特許文献３】特開２００４−２６６２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ｎ側バンプとｐ側バンプがはんだ材で形成されており、はんだにより実装基板に接合する場合には、ｎ側電極とｐ側電極のバンプの上面が同じ高さであったり、面積の大きなｐ側電極のバンプの上面が高い場合、発光素子が実装される実装基板等と当該発光素子との平行度が悪いと、ｎ側バンプと実装基板等の電極パターン等とが接合されなかったり、ｎ側バンプの内部にボイドが生じたりすることがある。
【０００４】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、実装基板等とのバンプ接合時に面積の小さな電極側で接合不良やボイドが生じることのない発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明では、第１電極と、前記第１電極と同じ側に形成され、前記第１電極よりも面積が小さい第２電極と、前記第１電極上に形成される第１バンプと、前記第２電極上に形成され、前記第１バンプよりも上端の高さが高い第２バンプと、を備える発光素子が提供される。
【０００６】
上記発光素子において、前記第２電極の上面に、溶融した前記第２バンプを受容可能な凹部を形成した構成が好ましい。
【０００７】
上記発光素子において、ｎ型コンタクト層と、ｎ型クラッド層と、発光層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層を備え、前記第１電極は、ｐ型コンタクト層上に形成され、前記第２電極は、ｎ型コンタクト層上に形成される構成が好ましい。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、成長基板上にｎ型コンタクト層と、ｎ型クラッド層と、発光層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層を成長する成長工程と、前記III族窒化物半導体層の前記ｐ型コンタクト層、前記ｐ型クラッド層、前記発光層及び前記ｎ型クラッド層の一部を切除して前記ｎ型コンタクト層を露出させる露出工程と、前記ｐ型コンタクト層上にｐ側電極を形成し、前記ｎ型コンタクト層上に前記ｐ側電極よりも面積が小さいｎ側電極を形成する電極形成工程と、前記ｐ側電極上にｐ側バンプを形成し、前記ｎ側電極上に前記ｐ側バンプよりも上端が高いｎ側バンプを形成するバンプ形成工程と、を含む発光素子の製造方法が提供される。
【０００９】
上記発光素子の製造方法において、前記電極形成工程にて、前記ｎ側電極の表面に、溶融した前記ｎ側バンプを受容可能な凹部を形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、実装基板等とのバンプ接合時に面積の小さな電極側で接合不良やボイドが生じることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１から図５は本発明の第１の実施形態を示し、図１は発光素子の平面図である。
【００１２】
図１に示すように、発光素子１は、青色領域の波長の光を発するフリップチップ型の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。この発光素子１は、順電圧が３．５Ｖで、順電流が２０ｍＡの場合に、ピーク波長が４７０ｎｍの光を発する。また、発光素子１は上面視にて四角形状に形成される。発光素子１の平面寸法は、縦寸法及び横寸法がそれぞれ略１．０ｍｍである。
【００１３】
発光素子１は、第１電極としてのｐ側電極１０と、第２電極としてのｎ側電極２０と、ｐ側電極１０上に形成される第１バンプとしてのｐ側バンプ３０と、ｎ側電極２０上に形成される第２バンプとしてのｎ側バンプ４０と、を備えている。発光素子１は、ｐ側電極１０とｎ側電極２０が同じ面に形成されるフリップチップタイプであり、平面視にて略正方形状を呈している。
【００１４】
ｐ側電極１０は、平面視にて、ｎ側電極２０よりも面積が大きい。本実施形態においては、ｐ側電極１０の拡散電極１１は、平面視にて櫛状に形成され、拡散電極１１における櫛の歯に対応する部分上に、接合電極１３（図１中不図示）を介して互いに平行な長尺の複数のｐ側バンプ３０が形成されている。幅方向について外側の接合電極１３及びｐ側バンプ３０は、他の接合電極１３及びｐ側バンプ３０よりも短く形成されている。
【００１５】
ｎ側電極２０のオーミック電極２１は、ｐ側電極１０のメサ部分に形成される。オーミック電極２１上には接合電極２２（図１中不図示）を介してｎ側バンプ４０が形成されている。本実施形態においては、ｎ側電極２０の接合電極２２及びｎ側バンプ４０は、発光素子１の２つの角部に形成され、短く形成されたｐ側の接合電極１３及びｐ側バンプ３０の先端と平面視にて対向している。
【００１６】
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
図２に示すように、発光素子１は、（０００１）面を有するサファイア基板５０と、サファイア基板５０の上に設けられるバッファ層６０と、バッファ層６０の上に設けられるｎ側コンタクト層６１と、ｎ側コンタクト層６１の上に設けられるｎ側クラッド層６２と、ｎ側クラッド層６２の上に設けられる発光部としての発光層６３と、発光層６３の上に設けられるｐ側クラッド層６４と、ｐ側クラッド層６４の上に設けられるｐ側コンタクト層６５とを備える。
【００１７】
バッファ層６０と、ｎ側コンタクト層６１と、ｎ側クラッド層６２と、発光層６３と、ｐ側クラッド層６４と、ｐ側コンタクト層６５は、それぞれ、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体からなる層である。バッファ層２０からｐ側コンタクト層６５までの各層は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、ハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）等によって形成される。
【００１８】
本実施形態においては、バッファ層６０は、ＡｌＮから形成される。そして、ｎ側コンタクト層６１とｎ側クラッド層６２は、所定量のＳｉをｎ型ドーパントとしてドーピングしたｎ−ＧａＮからそれぞれ形成される。また、発光層６３は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮから形成される多重量子井戸構造を有する。さらに、ｐ側クラッド層６４とｐ側コンタクト層６５は、所定量のＭｇをｐ型ドーパントとしてドーピングしたｐ−ＧａＮからそれぞれ形成される。尚、バッファ層２０はＧａＮから形成されていてもよいし、発光層３０の量子井戸構造は多重量子井戸構造でなく単一量子井戸の構造であってもよい。
【００１９】
また、発光素子１のｐ側電極１０は、ｐ側コンタクト層６５の上に設けられる前述の拡散電極１１と、拡散電極１１上の一部の領域に設けられる中間電極１２と、を有している。拡散電極１１は、中間電極１２の部分を除いて絶縁部７０により覆われ、絶縁部７０の内部には反射部８０が配置されている。絶縁部７０は、中間電極１２を露出させる開口７１を有している。また、ｐ側電極１０は、絶縁部７０の上面を覆い中間電極１２と接触する接合電極１３を有している。
【００２０】
本実施形態においては、ｐ側電極１０の拡散電極１１は透明電極であり、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成される。また、絶縁部７０は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成される。また、反射部８０は、アルミニウム（Ａｌ）から形成される。尚、絶縁部７０は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。また、反射部８０は、Ａｇから形成することもでき、Ａｌ又はＡｇを主成分として含む合金から形成することもできる。また、反射部８０は、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector : DBR）であってもよい。
【００２１】
中間電極１２は、拡散電極１１との接触部分に形成されるＮｉ層と、接合電極１３との接触部分に形成されるＡｌ層と、Ｎｉ層とＡｌ層の間に形成されるＡｕ層と、を有する。
【００２２】
接合電極１３は、絶縁部７０及び中間電極１２と接触する接触メタルと、接触メタルの上に形成される拡散防止部としての第１バリアメタルと、第１バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第２バリアメタルと、第２バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第３バリアメタルと、第３バリアメタルの上に形成されるはんだ電極を有する。本実施形態においては、接触メタルはＴｉから構成され、第１バリアメタル及び第３バリアメタルはＮｉから構成され、第２バリアメタルはＴｉから構成され、はんだ電極は所定の温度で溶融するＡｕとＳｎとの合金材料から構成される。
【００２３】
接合電極１３の上に、所定高さのｐ側バンプ３０が形成されている。本実施形態においては、ｐ側バンプ３０は、表層がＡｕのＡｕ−Ｓｎはんだから構成されている。
【００２４】
ｎ側電極２０は、ｎ側コンタクト層６１の上に設けられる前述のオーミック電極２１と、オーミック電極２１上に設けられる接合電極２２と、を有している。オーミック電極２１は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｖ、Ｉｒ、及びＲｈの金属よりなる群から選ばれた少なくとも１種の金属を含んで形成される。絶縁部７０は、オーミック電極２１の形成領域を除いてｎ側コンタクト層６１を覆っている。絶縁部７０は、オーミック電極２１を露出させる開口７２を有している。
【００２５】
接合電極２２は、オーミック電極２１と接触する接触メタルと、接触メタルの上に形成される拡散防止部としての第１バリアメタルと、第１バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第２バリアメタルと、第２バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第３バリアメタルと、第３バリアメタルの上に形成されるはんだ電極を有する。本実施形態においては、接触メタルはＴｉから構成され、第１バリアメタル及び第３バリアメタルはＮｉから構成され、第２バリアメタルはＴｉから構成され、はんだ電極は所定の温度で溶融するＡｕとＳｎとの合金材料から構成される。本実施形態においては、ｎ側電極２０の接合電極２２は、ｐ側電極１０の接合電極１３と同じ層構成で同じ厚さ寸法となっている。
【００２６】
ｐ側バンプ３０及びｎ側バンプ４０は、それぞれＡｕ−Ｓｎはんだからなり、めっき法、スクリーン印刷法、スパッタ法、真空蒸着法等により接合電極１３，２２上に形成される。ｎ側電極２０の接合電極２２は、平面視にて、ｐ側電極１０の接合電極１３よりも小さく、小さい方のｎ側の接合電極２２のｎ側バンプ４０がｐ側バンプ３０よりも高く形成されている。本実施形態においては、ｐ側バンプ３０とｎ側バンプ４０の高さ寸法は同じであるが、ｐ側バンプ３０とｎ側バンプ４０の高さが異なるよう構成されている。ｎ側バンプ４０は製造時の誤差を考慮してｐ側バンプ３０よりも高く形成され、製造時の誤差によってｐ側バンプ３０の方が高くなってしまうことはない。
【００２７】
（発光素子１の製造工程）
図３から図５は、第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の一例を示す。図３（ａ）は、ｎ側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施される前の縦断面図である。図３（ｂ）は、ｎ側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施された後の縦断面図である。また、図３（ｃ）は、拡散電極にマスクが形成された状態の縦断面図である。さらに、図３（ｄ）は、拡散電極をエッチングした後の縦断面図である。
【００２８】
まず、サファイア基板５０を準備し、このサファイア基板５０の上に、バッファ層６０と、ｎ側コンタクト層６１と、ｎ側クラッド層６２と、発光層６３と、ｐ側クラッド層６４と、ｐ側コンタクト層６５とをこの順にエピタキシャル成長してエピタキシャル成長基板を形成する。
【００２９】
続いて、フォトレジストによるマスク２００をｐ側コンタクト層６５上にフォトリソグラフィー技術を用いて形成する（図３（ａ））。次に、マスク２００が形成された部分以外をｐ側コンタクト層６５からｎ側コンタクト層６１の一部までエッチングした後、マスク２００を除去する。これにより、ｎ側クラッド層６２からｐ側コンタクト層６５までの複数の化合物半導体層から構成されるメサ部分が形成される（図３（ｂ））。
【００３０】
この後、ｎ側コンタクト層６１及びｐ側コンタクト層６５の上に、全体的に拡散電極１１を形成する。本実施形態において拡散電極１１はＩＴＯであり、真空蒸着法を用いて形成される。尚、拡散電極１１は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成することもできる。そして、拡散電極１１を残す領域にフォトレジストによるマスク２０１を形成する（図３（ｃ））。続いて、拡散電極１１におけるマスク２０１に被覆されていない領域をエッチングする。これにより、ｐ側コンタクト層６５の所定領域に拡散電極１１が形成される（図３（ｄ））。
【００３１】
図４（ａ）は、ｎ側のオーミック電極を形成した後の縦断面図である。また、図４（ｂ）は、中間電極を形成した後の縦断面図である。さらに、図４（ｃ）は、反射部を形成した後の縦断面図である。
【００３２】
次いで、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、オーミック電極２１を、ｎ側コンタクト層６１の予め定められた領域に形成する（図４（ａ））。尚、ｎ側コンタクト層６１の上にオーミック電極２１の熱処理前の材料を設けておき、オーミック電極２１に熱処理を施すようにしてもよい。
【００３３】
続いて、拡散電極１１の所定の位置に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて中間電極１２を形成する（図４（ｂ））。オーミック電極２１と中間電極１２の上面高さは、オーミック電極２１の方が高くなっている。本実施形態においては、この段階におけるオーミック電極２１と中間電極１２の上面高さの差が、ｐ側バンプ３０とｎ側バンプ４０の上面高さの差となる。次に、ｎ側コンタクト層６１、ｎ側オーミック電極２１、メサ部分、拡散電極１１及び中間電極１２を覆う絶縁部７０を、真空蒸着法により形成する。そして、絶縁部７０上における中間電極１２及びオーミック電極２１の上方を除く所定の領域に、蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて反射部８０を形成する（図４（ｃ））。
【００３４】
図５（ａ）は、反射部の上に絶縁部を形成した後の縦断面図である。また、図５（ｂ）は、絶縁部の一部に開口を形成した後の縦断面図である。さらに、図５（ｃ）は、接合電極を形成した後の縦断面図である。
【００３５】
この後、真空蒸着法を用いて、絶縁部７０が素子の上側に全体的に形成される（図５（ａ））。続いて、オーミック電極２１上の絶縁部７０と、中間電極１２上の絶縁部７０を、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて除去する。これにより、中間電極１２上に開口７１が形成されると共に、オーミック電極２１上に開口７２が形成される（図５（ｂ））。
【００３６】
次に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、開口７１及び開口７２のそれぞれ内側に、ｐ側の接合電極１３及びｎ側の接合電極２２を形成する（図５（ｃ））。本実施形態においては、ｐ側の接合電極１３及びｎ側の接合電極２２は、同工程で作製され、互いの上下寸法は同一となっている。なお、ｎ側コンタクト層６１、中間電極１２及び接合電極１３，２２は、それぞれ、スパッタリング法により形成することもできる。また、絶縁部７０は、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition : CVD）により形成することもできる。
【００３７】
そして、めっき法により各接合電極１３，２２上にＡｕ−Ｓｎはんだを成長させ、ｐ側バンプ３０及びｎ側バンプ４０を作製する。このとき、ｎ側バンプ４０の上面高さが、ｐ側バンプ３０の上面高さよりも高くなるようにし、発光素子１が完成する（図１）。本実施形態においては、ｐ側バンプ３０とｎ側バンプ４０は、同工程で作製され、互いの上下寸法は同一となっている。
【００３８】
以上の工程を経て形成された発光素子１は、導電性材料の配線パターンが予め形成されたセラミック等から構成されるサブマウントの所定の位置に、フリップチップボンディングにより実装される。このとき、ｎ側バンプ４０の上面高さがｐ側バンプ３０よりも高いので、ｎ側バンプ４０がサブマウント側の配線パターンと的確に接続される。また、ｐ側バンプ３０は、ｎ側バンプ４０より低いものの、ｎ側バンプ４０と比べると体積が大きいためサブマウント側の配線パターンとの接続に支障をきたすことはない。そして、基板に実装された発光素子１を、エポキシ樹脂、ガラス等の封止材で一体として封止することにより、発光素子１はパッケージ化される。
【００３９】
以上のように構成された発光素子１によれば、面積の小さなｎ側電極２０のｎ側バンプ４０の上面高さを、ｐ側バンプ３０よりも高く形成したので、実装時にｎ側バンプ４０の量が不足してボイドが生じる、接合不良となる等の不具合を生じることはなく、発光素子１の信頼性、放熱性等を確実に保証することができる。
【００４０】
尚、前記実施形態においては、ｐ側電極の面積が大きいため、第１電極をｐ側電極とし第２電極をｎ側電極としたものを示したが、ｎ側電極の面積が大きい場合は、第１電極をｎ側電極とし第２電極をｐ側電極とすればよい。この場合、ｐ側電極のｐ側バンプの上端の高さがｎ側バンプよりも高くなる。
また、前記実施形態においては、III族窒化物半導体層を備えた発光素子を示したが、他の半導体層を備えたものであってもよい。
【００４１】
図６及びは図７は本発明の第２の実施形態を示し、図６は発光素子の平面図である。
図６に示すように、第２の実施形態の発光素子１０１は、ｎ側電極２０に凹部２５を形成した点で第１の実施形態の発光素子１と構成を異にしている。凹部２５は、平面視にて、角部に形成される２つのｎ側バンプ４０にそれぞれ隣接して設けられる。本実施形態においては、各凹部２５は、溝状に形成され、発光素子１０１の外縁側から中央側（図６中下方向）へ向かうよう形成されている。
【００４２】
図７は、図６のＢ−Ｂ断面図である。
図７に示すように、凹部２５は、ｎ側電極２０の接合電極２１におけるｐ側電極１０側を凹ますことにより形成されている。これにより、発光素子１０１の実装基板への実装時に、ｎ側バンプ４０が溶融すると、凹部２５に溶融したバンプが流入するようになっている。これにより、ｎ側バンプ４０が流出して、ｎ側とｐ側とで短絡することを防止することができる。
【００４３】
尚、第２の実施形態では、各凹部２５が溝状であるものを示したが、各凹部の形状は任意である。
【００４４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の全ての組合せが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を示す発光素子の平面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、発光素子の製造工程の一例を示し、（ａ）はｎ側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施される前の縦断面図、（ｂ）はｎ側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施された後の縦断面図、（ｃ）は拡散電極にマスクが形成された状態の縦断面図、（ｄ）は拡散電極をエッチングした後の縦断面図である。
【図４】図４は、発光素子の製造工程の一例を示し、（ａ）はｎ側のオーミック電極を形成した後の縦断面図、（ｂ）は中間電極を形成した後の縦断面図、（ｃ）は反射部を形成した後の縦断面図である。
【図５】図５は、発光素子の製造工程の一例を示し、（ａ）は反射部の上に絶縁部を形成した後の縦断面図、（ｂ）は絶縁部の一部に開口を形成した後の縦断面図、（ｃ）は、接合電極を形成した後の縦断面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態を示す発光素子の平面図である。
【図７】図７は、図６のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１      発光素子
１０    ｐ側電極
１１    拡散電極
１２    中間電極
１３    接合電極
２０    ｎ側電極
２１    オーミック電極
２２    接合電極
２５    凹部
３０    ｐ側バンプ
４０    ｎ側バンプ
５０    サファイア基板
６０    バッファ層
６１    ｎ側コンタクト層
６２    ｎ側クラッド層
６３    発光層
６４    ｐ側クラッド層
６５    ｐ側コンタクト層
７０    絶縁部
７１    開口
７２    開口
８０    反射部
１０１  発光素子
２００  マスク
２０１  マスク
【図１】
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【図２】
2010027919.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010027919.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010027919.tif 000008
【図７】
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