(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面と第２の主面とを有する透光性基板の第１の主面上に半導体層が形成されてなる半導体発光素子において、
前記第２の主面上に、銀又は銀合金の反射層、保護層がこの順に積層された積層膜を有し、
前記保護層が、ニッケルからなる第１金属層、該第１金属層と異なる材料で、少なくとも白金族元素を有する第２金属層をこの順に積層された構造を有し、
前記第２金属層の膜厚は、前記第１金属層の膜厚より厚く形成されて、前記積層膜が、前記透光性基板に対して圧縮応力を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記保護層は、第２金属層が応力緩和層である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記保護層は、前記透光性基板上に各層を設けて測定される基板の曲率と、基板のヤング率と、から得られる基板上の単位膜厚当たりの規定応力値が、それぞれσ1（第１金属層）、σ2（第２金属層）であるとき、｜σ1＋σ2｜＜｜σ1｜＋｜σ2｜である請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子の第２の主面側が実装用基板に実装されてなる半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子に、前記第２金属層と実装用基板との間に共晶合金からなる接着層が配置され、
実装用基板と接着されてなることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項５】
透光性基板はサファイアからなる請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
第２金属層が、前記白金族元素の層の上にＡｕ層を有し、
保護層は、
σNi×ｄNi＋σ2×ｄ2＋σAu×ｄAu
（式中、σNi、σ2及びσAuは、前記基板上にそれぞれ前記ニッケル、前記第２金属層の材料の各層を構成する金属を設けて、該基板のヤング率と測定された曲率から得られる応力値を各材料層の膜厚で除した単位膜厚当たりの規定応力値（Ｍｐａ）であり、ｄNi、ｄ2及びｄAuは、それぞれ前記ニッケル層、第２金属層の各層の膜厚を示す。）
で算出される値が−１０００から−５０の範囲になる材料及び膜厚で形成されてなる請求項４又は５に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記第２金属層は、Ｒｈを含む層からなる請求項４〜６のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項８】
反射層は、銀合金層の単層又はこれを含む積層構造である請求項４〜７のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置及び半導体発光装置に関し、より詳細には、ひずみによる実装基板からの剥離を防止した半導体発光装置及び半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般に、基板上に半導体発光素子構造及び電極を形成し、得られた発光素子を、共晶半田などを介して、実装基板に実装することによって、半導体装置が製造されている。
このような、半導体発光素子において、光の出力を増大させるために、例えば、発光素子の基板側を実装基板に固定する場合、基板裏面に反射層を設け、素子構造側への光の反射率を向上させて、光の取り出し効率を上げるという方法がある。
具体的には、基板上に設ける金属反射層としてＡｇ等の金属の単体又は合金を用い、リードフレームに実装するときの耐ハンダ性、耐熱性、耐ボンディング性を向上させるためＮｉ等の金属を積層し、発光素子チップをリードフレームにダイボンディングするための材料として、Ａｕ―Ｓｉ、Ｐｂ−Ｓｎ合金系ハンダ、Ｂｉ、Ｉｎ、ＧａにＳｎ等を添加して合金化したもの、Ａｕ等の金属、Ａｕ等を含んだ導電性ペーストなどを用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。
また、結晶基板裏面に、金属積層体を形成する（反射層としてＡｇ等、基板と反射層との間に密着層としてＴｉ等、Ａｕを含む共晶半田でダイボンドを行うときに共晶半田との密着性を向上させるためのＡｕ層、等を積層）及びダイボンド材料としてＡｕ−Ｓｎ系半田等を用いることが提案されている（例えば、特許文献２）。
さらに、ＧａＮ基板と第２の金属（裏面電極：Ａｇ）との密着性向上のために、基板と電極の間に第１の金属（Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｃ）と第２の金属（Ａｇ、Ａｌ）を含む層を形成することが提案されている（例えば、特許文献３）。
【特許文献１】特開平６−６９５４６号
【特許文献２】特開２００５−７２１４８号
【特許文献３】特開２００２−３４４０２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在、反射膜としてＡｌやＡｌを用いた合金が用いられることが多いが、照明用途等での使用のためにさらに高輝度・高出力の半導体発光素子が求められており、光取り出し効率の向上が必要とされている。そのため、さらに反射率に優れた膜が求められている。
一方、反射率の高いＡｇを用いて反射膜を形成する場合には、理論上光取り出し効率はよくなるが、基板、特に透光性基板とＡｇ反射膜との密着性が極端に悪く、実装時に剥がれが生じることによる歩留まり低下、剥がれが生じることによる光の取り出し効率の低下、そのことによる発光素子・装置の出力低下という実用上の問題があった。さらには、実装基板への放熱性が低下して電流−光出力特性が悪化し、高出力化が困難となってしまう。一方で、透光性基板と銀又は銀合金からなる反射膜との剥がれを防止するために、特許文献２及び３のように発光素子の基板と金属反射層との間に密着層を設けると、金属反射層の反射率が低下し、光の取り出し効率が不十分になってしまう。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光の取り出し効率を最良に維持したまま、透光性基板との剥がれを防止し、これを金属の接着層を介して実装基板に接着することによって、発光装置の放熱性を向上させ、高出力を実現することができる高性能かつ長寿命の半導体装置及び発光素子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】
【０００５】
本発明の半導体発光素子は、
第１の主面と第２の主面とを有する透光性基板の第１の主面上に半導体層が形成されてなる半導体発光素子において、
前記第２の主面上に、銀又は銀合金の反射層、保護層がこの順に積層された積層膜を有し、
前記保護層が、ニッケルからなる第１金属層、該第１金属層と異なる材料で、少なくとも白金族元素を有する第２金属層をこの順に積層された構造を有し、
前記第２金属層の膜厚は、前記第１金属層の膜厚より厚く形成されてなることを特徴とする。
この発光素子においては、白金族元素（Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ）とその同族元素（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）からなる群から選択される金属元素の少なくとも２種類・二層構造で銀又は銀合金の保護層とすることで、基板との密着性に乏しい反射層を保護して、反射層、保護層、さらには接着層の基板への密着性を向上させ、更に、接着時の熱処理、負荷への耐性を高くできる。また比較的に凝集性が強い銀（合金）において、好適にそれを基板上で保持する第１金属層と第２金属層とできる。
【０００６】
さらに、本発明の各態様に係る具体的な半導体発光素子は、（１）第１金属層がＮｉであり、第２金属層が異なる族の白金族元素であるか、（２）保護層が、第１金属層のニッケル層、第２金属層である応力緩和層がこの順に配置されてなるか、（３）保護層は、前記透光性基板上に各層を設けて測定される基板の曲率と、基板のヤング率と、から得られる基板上の単位膜厚当たりの規定応力値が、それぞれσ1（第１金属層）、σ2（第２金属層）であるとき、｜σ1＋σ2｜＜｜σ1｜＋｜σ2｜であるか、（４）透光性基板がサファイア基板であるか、（５）保護層の上に接着層又は共晶合金を有するか、（６）第２金属層がＲｈであるか、（７）反射層が、銀合金の単層又はこれを含む積層構造であるか、であり、このような態様とすることが好ましい。
【０００７】
本発明の半導体発光装置は、
上記半導体発光素子の第２の主面側が実装用基板に実装されてなる半導体発光装置であって、前記半導体発光素子に、前記第２金属層と実装用基板との間に共晶合金からなる接着層が配置され、実装用基板と接着されてなることを特徴とする。
また、別の態様によれば、半導体素子が実装用基板に実装されてなる半導体発光装置であって、第1の主面と第２の主面とを有する透光性基板の第１の主面上に半導体層が配置され、第２の主面上に、銀又は銀合金の反射層、ニッケル層、応力緩和層、接着層がこの順に配置されてなることを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明の各態様に係る具体的な半導体装置としては、
（１）透光性基板がサファイアであるか、
（２）接着層が共晶合金であるか、
（３）上述の応力緩和層が、透光性基板に対して圧縮応力を示す材料からなるか、
（４）第２金属層が、金属層の２層構造によって形成されており、
保護層は、
σNi×ｄNi＋σ2×ｄ2＋σAu×ｄAu
（式中、σNi、σ2及びσAuは、前記基板上にそれぞれ前記ニッケル、前記応力緩和層材料の各層を構成する金属を設けて、該基板のヤング率と測定された曲率から得られる応力値を各材料層の膜厚で除した単位膜厚当たりの規定応力値（Ｍｐａ）であり、ｄNi、ｄ2及びｄAuは、それぞれ前記ニッケル層、積層構造の応力緩和層の各層の膜厚を示す。）
で算出される値が−１０００から−５０の範囲になる材料及び膜厚で形成されてなるか、であり、このような態様とすることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発光装置によれば、光の取り出し効率を最良に維持したまま、透光性基板との剥がれを防止し、また発光素子実装時の熱処理等による剥がれ、反射率低下を防止し、これによって、放熱性を向上させることができ、大電流を流したときの発熱を緩和して、高出力を実現することができる高性能かつ長寿命の半導体装置が得られる。
また、本発明の発光素子によれば、密着性に優れた反射層形成が可能となり、反射層の剥がれを防止し、反射層による光の取り出し効率を良好に維持し、透光性基板と反射膜との剥がれを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の半導体発光装置は、少なくとも半導体発光素子が実装用基板に実装されて構成される。なお、本発明の半導体発光素子は、半導体レーザ、ＬＥＤ等の発光素子について有用であり、特に基板の第１の主面側を光取り出しの主面側とする発光素子に有用である。
【００１１】
このような半導体装置は、例えば、図１に示すように、透光性基板１０の第１の主面上に半導体層１１が積層された半導体発光素子を構成しており、透光性基板１０の裏面第２の主面上に、銀又は銀合金の反射層（明細書中で銀又は銀合金メタライズ層と記載することもある）１２、ニッケル層１３、応力緩和層１４、接着層１５がこの順に配置されて、実装用基板１６に実装されている。
本発明の半導体発光素子の各構成について説明する。
【００１２】
［基板］
透光性基板としては、特に限定されるものではなく、例えば、窒化物半導体を成長させる基板として、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ3）基板、ＬｉＡｌＯ2基板、ＬｉＧａＯ3基板、ＧａＮ等が挙げられ、好ましくは酸化物基板であり、更に好ましくはウルツ鉱型結晶である。なかでも、サファイア基板が最も有効である。これは、比較的硬質な酸化物基板、さらにはウルツ鉱型結晶の基板と銀又は銀合金との密着性が低くなる傾向にあり、特に、サファイア基板と、銀又は銀合金の反射層との密着性は極端に悪いため、銀又は銀合金の反射層を基板表面に形成すると、接合強度が問題となるが、本発明の構成によって、それらの密着性を向上させることができるからである。
【００１３】
［発光素子構造］
透光性基板の第１の主面上に形成される半導体は、少なくとも発光構造を有し、好ましくはｎ型半導体若しくはｐ型半導体が含まれているものであり、さらに好ましくはｐ−ｎ接合を有するものである。さらには、ｎ型半導体及びｐ型半導体を有することもできるし、ｎ型半導体とｐ型半導体の間に活性層を有する構造にすることもできる。本発明においては、半導体が活性層を有さない構造でもよく、この場合は、ｎ型半導体とｐ型半導体との界面において、発光し、発光領域となる。具体例としては、図２に示すように、基板の第１の主面上に、発光素子構造が積層された半導体層を有し、同一面側に各導電型層の電極（ｎ電極、ｐ電極）がそれぞれ設けられた構造とし、第１の主面側を光取り出し側とする発光素子構造となる。なお、絶縁性基板は、その表面（第１の主面）又は裏面（第２の主面）が凹凸形状に加工されて、光取り出し効率を高める構造を有していてもよい。また、透光性基板の第１の主面上にマスク層、バッファ層、中間層等を介して半導体層が形成されていてもよい。
【００１４】
また、銀又は銀合金の反射層は、Ａｌ金属と異なり、可視光域における反射率の波長依存性が比較的大きく、特に、近紫外域から長波長側において、反射率が急激に増大することから、発光素子は、このような好適な反射率が利用できる波長とすることが好ましい。具体的には、図３Ａに示すように、３５０ｎｍ以上とすることで反射率が高くなり、３８０ｎｍ以上とすることでＡｌよりも反射率が高くなるため好ましい。このため、発光素子の半導体としてＧａＮ系窒化物半導体が好ましく用いることができ、具体的には、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）を発光層、活性層、若しくは量子井戸構造の井戸層に用いた構造であると、３６５ｎｍ以上、好ましくは３８０ｎｍ以上、更に好ましくは４００ｎｍ以上の波長域（赤色まで）において、優れた発光効率の発光素子とできる。また、より長波長の可視光たとえば、黄色、赤色など、若しくは赤外域にも本発明が適用され、この場合、ＧａＡｓ系半導体、ＡｌＩｎＧａＰ系半導体などの発光素子も利用できる。
【００１５】
［反射層、銀層・銀合金層］
透光性基板の第２の主面上に形成される銀又は銀合金の反射層は、半導体素子によって発光した光を、効率的に反射させて、最大限の光を外部に取り出す層である。また、反射層として銀又は銀合金を用いることにより、放熱性の良好な半導体装置を得ることができる。そのため、大電流を流したときの発熱を緩和することができ、素子を高出力化することが可能となる。
【００１６】
この層は、透光性基板に接触して形成されていることが好ましい。銀又は銀合金層は、ここに照射された光を効率的に反射させること及び透光性基板との間の応力を考慮して、例えば、２００Å〜１μｍ程度が適当である。なかでも、５００Å〜３０００Å程度が好ましい。また、別の観点から、絶縁性基板上に形成された銀又は銀合金メタライズ層の膜応力が、−５から−３０程度におさまるような膜厚とすることが適当である（膜応力については後述する）。この層は、銀からなる単層であってもよいし、銀合金からなる単層であってもよいし、銀層又は銀合金層を含む積層構造、銀層と銀合金層とからなる積層構造であってもよい。なお、積層構造の場合は、銀又は銀合金層自体が絶縁性透光性基板に接触していることが好ましい。
【００１７】
反射率の観点からみると、銀層を有すること、好ましくは基板面に接して設けること、更に好ましくは反射層が銀の単層で構成されることである。銀に他の金属を添加して銀合金として反射膜に用いる場合、添加する元素によっては、銀からなる単層の反射層と比較して、密着性、耐熱性等の特性の向上が見られる場合があるが、銀からなる単層のものと比較して反射率が低くなる傾向にある。そのため反射率の観点においては、銀からなる単層の反射膜を設けることによって、本発明の半導体発光素子の波長において反射率を最良に維持することができ、特に光取り出しを向上させた半導体発光素子が得られ好ましい。
【００１８】
また、放熱性の点から見ても、銀からなる単層の反射膜を設けることが好ましい。銀は熱伝導率がよく放熱性に優れているため、本発明の構成を用いて透光性基板との密着性を向上させることで、さらに放熱性を良好にし、熱による不良を減少させた半導体発光素子を得ることができる。また、大電流を流したときの素子の発熱を緩和できるので素子の高出力化が可能となる。
【００１９】
銀合金としては、銀と、Ｐｔ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｎｄ及びＲｅからなる群から選択される１種又は２種以上の合金が挙げられる。この場合、銀の割合としては、９０質量％程度以上、好ましくは９４質量％程度以上、９５質量％程度以上、さらに好ましくは９６質量％程度以上含有されていることが好ましい。
【００２０】
銀合金を用いることによって、膜質に優れて耐性が向上し、反射層が塑性変形するのを防ぎ、少なからず密着性を改善でき、耐熱性が高まる傾向にある。また、発光素子を熱圧着するなど圧力、熱が加わる場合に膜強度に優れた発光素子及び発光装置を形成することができる。
【００２１】
従って、銀合金層を有することによって密着性・耐熱性に優れたものとでき、好ましくは、銀単層と組み合わせて用いること、基板との密着性などの銀合金の特性を必要とする場合には基板側に銀合金層を配置する。積層構造は、透光性基板側から、銀合金−銀の積層構造、銀合金／銀／銀合金の積層構造等とすることができる。通常、銀又は銀合金メタライズ層が形成された後、他の層を形成する際又はダイボンディングする際などに、２００〜５００℃程度に加熱されることとなるが、これにより、合金化が進んで銀の高反射率が最大限に発揮されることとなるからである。また、基板の第２の主面に接触して銀層と銀合金の多層反射層とすることもできる。これにより、基板に接触して形成された銀層の高い反射率により発光した光を好適に反射し、続いて形成された銀合金層によりこの後に形成される保護層との密着性をよくすることができる。
銀又は銀合金の反射層は、酸化等により反射率が変化しやすく不安定で、実装用基板に実装する際の接着層を直接形成することはできない。また、銀は凝集性があり、基板と銀又は銀合金の層との密着性に対する相性が劣悪であるため容易に剥がれてしまうと考えられる。
そのため、本発明においては、銀又は銀合金の反射層の上に、保護層を設けて銀又は銀合金を保護し、銀又は銀合金膜の膜質を補って、基板上に好適に形成させ、さらに保護層上の接着層形成、また素子の接着を好適なものとする。
【００２２】
本発明の一実施形態における保護層は、第１金属層と、第２金属層を有し、白金族元素（Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ）とその同族元素（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）からなる群から選択される元素をそれぞれ用い、互いに異なる金属を用いる。このように、化学的・熱的に比較的安定な白金族元素を用いることで、上述した銀・銀合金の不安定な膜を保護でき、その層の機能を好適に引き出すことができる。また、白金族元素に加えて、その同族元素である鉄族元素（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）を用いることで、同様な保護効果が期待できる。また、第１，２金属層で、異なる金属材料とすることで、上記各元素間で互いに異なる性質を上記保護作用に好適に利用でき、他方２層以上の構造とすることで、より強固な保護作用を得られる傾向にある。
【００２３】
このとき好ましくは、各金属層が互いに周期律表の異なる列の元素を用いることであり、互いの相違する優れた性質を重ね合わせた保護層を形成できる。更に好ましくは、銀・銀合金側の第１金属層に鉄族元素、第２金属層に白金族元素を、それぞれ用いることで、白金族元素と銀又は銀合金層とが実装時などで反応・拡散して合金化することを防ぎ、銀又は銀合金層を安定な状態に保護することができる。白金族元素のＰｄ，Ｐｔ、特にＰｄは、他の白金族元素よりＡｇとの合金を形成しやすい傾向にあるため、保護層、特に第１金属層は、他の白金族元素（Ｒｕ，Ｏｓ，Ｒｈ，Ｉｒ）又は鉄族元素（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）を用いることが好ましい。また、第２金属層は、保護層上に共晶合金などの金属性の接着層を設ける際に、バリア層となるように白金族元素を用いることが好ましい。また、より安定な保護層、バリア層とする際には、第１金属層より第２金属層の膜厚を厚く形成することが好ましく、更に好ましくは第１金属層の１．５倍以上、さらには２倍以上の膜厚で第２金属層が形成されることで、基板上の銀層及び保護層の積層構造に対し、好適な保持体として機能でき好ましい。
【００２４】
また、上記保護層、第１、２金属層は、上記各元素を少なくとも含む金属であればよく、例えば他の金属との合金、化合物とすることもできるが、好ましくは各元素の金属、具体的には各元素の９０質量％以上であること、更に好ましく各元素の単一金属とすることが好ましい。また、保護層内に、例えば第２金属層の上に、他の層を有していてもよく、例えば高融点材料（Ｗ，Ｍｏなど）のバリア層、を有してもよく、保護層として、銀・銀合金層及び保護層で上記保護作用を有する層であればよい。更に、保護層上に、共晶合金などの接着層を有してもよく、接着層で発光装置に実装させる形態とできる。また、図２Ａ、Ｂに示すように、銀・銀合金層と保護層を含む多層構造は、基板のほぼ全面に形成されていてもよく、狭い幅など一部に形成してもよく、また各層（銀層、保護層、接着層）については、互いに同一幅でも異なる幅で形成されてもよい。
【００２５】
また、銀の凝集性、後述の応力の関係などから、保護層形成後の状態を観察すると、膜の割れなどが発生する物がある。また、基板裏面は、通常研磨されるがその凹凸、研磨痕に応じて銀の凝集が観察される場合がある。そのため、このような割れを防止するには反射層（保護層）の面積を小さくすること、例えば図２Ａのように基板面の一部に反射層を設ける形態としたり、反射層の分散、分布した形状としたり、することで、その問題を改善できる。部分的な反射層は、島状、格子状など反射層、それからの基板露出部を複数設けて、それを分布させる形態とする。
【００２６】
本発明の別の態様においては、銀・銀合金層と、その上の保護層として、ニッケルを含む第１金属層、第１金属と異なる材料、例えば白金族元素、高融点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ）を有する第２金属層を順に積層した構造を有することで、上記ニッケルと銀との積層構造に、それを保持する第２層を有する構造となり好ましい。
【００２７】
上述した保護層について、本発明の別の態様においては、第１金属層と第２金属層を有して、前記透光性基板上に各層を設けて測定される基板の曲率と、基板のヤング率と、から得られる基板上の単位膜厚当たりの規定応力値が、それぞれσ1（第１金属層）、σ2（第２金属層）であるとき、｜σ1＋σ2｜＜｜σ1｜＋｜σ2｜の関係にあることが好ましい。すなわち、該規定応力値が互いに引張応力、圧縮応力で少なくとも一部相殺され、各層の規定応力値の絶対値の和が、各層の規定応力値の和より小さくなるように、各層を設けることで、上述した銀又は銀合金層の密着性が低いことを補い、それを保護する保護層とできる。これは、銀の凝集性、酸化などにより、基板との十分な密着性が得られず、それに対し、応力値の大きな膜を形成すると、銀又は銀合金層の密着性を悪化させることになり、応力値の低い保護層が設けられることで、このような密着性悪化を防止して、銀又は銀合金層と保護層の多層構造で優れた特性の膜構造とできる。好ましくは、圧縮応力で保護層、特に第１金属層を形成することで、このような保護作用が好適なものとなる傾向にある。このとき、好ましくはσ1＞０（圧縮応力）、さらにはσ2＜０（引張応力）であることで、２層構造で互いに応力相殺される関係になり、さらに好ましくは、｜σ1｜＞｜σ2｜であることで、好適な保護作用が得られる傾向にある。
【００２８】
以上の実施形態について、別の態様として、第１金属層をニッケル層とすることが好ましく、更に第２金属層を応力緩和層とすることが好ましい。すなわち、本発明の更に好ましい態様においては、後述するように、銀又は銀合金メタライズ層の上に、ニッケル層１３及び応力緩和層１４の双方が形成されることにより、両者の間の応力が緩和され、剥がれを防止して、密着性を向上させることができる。また、透光性基板と銀又は銀合金メタライズ層の密着性が向上することにより、両者の接する面積が大きくなり透光性基板から銀又は銀合金メタライズ層への放熱性を向上させることができ、大電流を流すことができる半導体発光装置を得ることができる。
【００２９】
ニッケル層は、銀との合金化が起こりにくく、銀又は銀合金メタライズ層の反射効率を最大限に発揮させることができるとともに、透光性基板に対して、引張応力を有するために、透光性基板と銀又は銀合金メタライズ層との間の応力を緩和させる方向に作用する。このため、ニッケル層は、銀又は銀合金メタライズ層に接触して形成されていることが好ましい。この層の膜厚は、これらの作用を発揮し得るのであれば特に限定されるものではなく、例えば、２００Å〜５０００Å程度が挙げられ、好ましくは５００Å〜３０００Å程度である。また、別の観点から、透光性基板上にメタライズ層とニッケル層とが形成された状態で、膜応力を算出した場合に、７０〜１７００（Ｍｐａ）程度、好ましくは１７０〜１０００（Ｍｐａ）程度のとなるような膜厚とすることが好ましい。また、ニッケル層は、銀層もしくは銀合金層との密着性及び応力緩和層との密着性がよく、積層構造の密着性を良好とし、放熱性を向上させた半導体発光素子を得ることができる。
【００３０】
また、透光性基板上に銀又は銀合金からなる反射層、ニッケル層、応力緩和層をこの順に積層すると、銀又は銀合金とニッケル層と応力緩和層の各々は密着性がよく、ニッケル層と応力緩和層で応力を緩和し、反射層の密着性を向上させる。これによって、透光性基板から応力緩和層までの間で、それらの内部に存在する応力を緩和させることができる。
【００３１】
応力緩和層は、透光性基板、銀又は銀合金メタライズ層及びニッケル層の積層構造において存在する応力とは逆の応力、例えば引張応力に対する圧縮応力、をかけることによって結果的に応力若しくはそれによる内部のひずみを緩和するように機能する層である。これらの積層構造における作用が相まって、ニッケル層と応力緩和層との間の応力を確実に緩和させることができ、基板と銀又は銀合金メタライズ層の間の剥がれを防止し、両者の密着性を確保することができる。
【００３２】
応力緩和層は、上記作用を発揮し得るものであればよく、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）等の金属又はこれらの合金等が挙げられる。なかでも、後述するダイボンディング層を形成するために用いられる成分の拡散を防止することができる材料、例えば、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｔ等が好ましく、Ｒｈが最も好ましい。膜厚は、用いる材料によって適宜調整することができる。例えば、１００〜１０００ｎｍ程度が挙げられる。
【００３３】
なお、本発明において、各層の引張応力及び圧縮応力は、以下のように定義する。
まず、透光性基板の反りを曲率半径で測定し、この値を基準値とする。次に、応力の測定対象とする層を基板に形成し、基板の層形成側の反り（曲率半径）を測定する。透光性基板の厚さ，膜形成前後の反りの大きさと透光性基板のヤング率から、膜内部の応力を算出する。なお、その値が＋の場合にはその層は基板に対して引張応力を有し、−の場合にその層は圧縮応力を有するとして表わす。
【００３４】
例えば、実施例で示すように、サファイア基板上に、Ｗ（膜厚２３２ｎｍ），Ｐｔ（膜厚３３０ｎｍ），Ｒｈ（膜厚５００ｎｍ），Ａｕ−Ｓｎ（膜厚５７６ｎｍ），Ａｇ（膜厚２９５ｎｍ）Ｎｉ（膜厚２１１ｎｍ）、Ａｕ（膜厚３１０ｎｍ）をそれぞれ形成した膜の測定応力値（ＭＰａ）は、Ｗ＝−２３６２，Ｐｔ＝−４７１，Ｒｈ＝−２８０，Ａｕ−Ｓｎ＝−７３．５，Ａｇ＝−３１、Ｎｉ＝５６５、Ａｕ＝−２０２、であり、１００ｎｍを単位膜厚とする規定応力値（Ｍｐａ）として、Ｗ＝−１０１８、Ｐｔ＝−１４３、Ｒｈ＝−５６、Ａｕ−Ｓｎ＝−１３、Ａｇ＝−１１、Ｎｉ＝２６８、Ａｕ＝−６５等として表わされるが、このような値を利用して、応力緩和層の材料及び膜厚を決定することができる。ここで、規定応力値は、
［（単位膜厚１００ｎｍにおける）規定応力値（ＭＰａ）］＝（［測定応力値（ＭＰａ）］／［形成時の膜厚（ｎｍ）］）×１００（ｎｍ）
である。
【００３５】
この態様において、各層を積層した規定応力値を求める式は、具体的には、以下の式
σNi×ｄNi＋σ2×ｄ2
（式中、σNi及びσ2は、それぞれニッケル及び応力緩和層材料の単位膜厚１００ｎｍの規定応力値（Ｍｐａ）であり、ｄNi及びｄ2は、それぞれニッケル層及び応力緩和層の膜厚を示す。）
で算出される値が−１０００から０程度の範囲、さらに−５００から−２５０程度の範囲になるような材料及び膜厚を選択することが好ましい。
【００３６】
また、積層時の応力が、相殺される若しくは、若干の圧縮応力を持つことが好ましい。その理由として、基板に対して引張応力である場合、積層膜は周囲から剥がれがおこる傾向にあるためである。一方、基板に対して圧縮応力である場合は、積層膜の中央部に浮きが生じる傾向にある。素子の周囲には、基板や半導体層を素子化した際の加工面があるので、強度的に不安定であるため、周囲から剥がれが起こる場合、素子への影響が大きい。よって、若干の圧縮応力があった方が、この後の工程等で素子の周囲に力がかかった場合にも周囲からの剥がれによる素子への影響を抑制することができ、好ましいと考えられる。
【００３７】
銀又は銀合金層、保護層、ニッケル層及び応力緩和層は、当該分野で公知の方法、例えば、蒸着法、スパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、めっき法等によって形成することができる。
【００３８】
接着層は、特に限定されないが、実装用基板と半導体素子との間に介在してダイボンド材料として機能し得る材料であればよい。このような材料としては、Ｉｎ、Ｐｂ−Ｐｄ系、Ａｕ−Ｇａ系、Ａｕ−Ｇｅ系、Ａｕ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｕ−Ｉｎ系、Ａｇ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｐｄ系、Ａｌ−Ｉｎ系、Ｃｕ−Ｇｅ系、Ａｇ−Ｇｅ系、Ｃｕ−Ｉｎ系、Ａｕ−Ｚｎ系、Ａｕ−Ｓｎ系の合金、ダイボンドに耐えられる、つまり、機械的強度、応力性、耐熱性、耐湿性、熱伝導性等の性質を有する樹脂（例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等）、銀等からなるペースト等であってもよい。
【００３９】
なかでも、融点５００℃以下の金属材料、特に融点４００℃以下の金属材料が好ましい。このような金属としては、共晶合金膜が挙げられる。好ましい共晶合金としては、ＡｕとＳｎとを主成分とする合金、ＡｕとＳｉとを主成分とする合金、またはＡｕとＧｅとを主成分とする合金などが挙げられる。これらの中でも特にＡｕ−Ｓｎの共晶合金が好ましい。Ａｕ−Ｓｎの共晶合金膜を用いると、熱圧着による銀又は銀合金層の劣化、実装時の失敗が少なく、強度も強いという利点がある。
【００４０】
なお、本発明においては、接着層にＡｕを含む共晶合金膜を用いる場合には、応力緩和層と接着層との間の密着性を向上させるために、あるいは、ダイボンディング材料成分（例えば、Ｓｎ）の拡散を防止するために、これらの間にＡｕ層を形成してもよい。
【００４１】
［発光装置］
実装用基板としては、図２Ａ、Ｂに示すように、実装用の基体・領域２０１の発光素子実装部となるもので、素子をダイボンディングするためのものであればよく、例えば、発光素子用、受光素子用のステム、平面実装用セラミック基板、プラスチック基板等が挙げられる。発光装置の例は、図２に示すように、装置の基体・筐体２２０に設けられた素子実装部２１６に接着層１１５を介して、多層構造を設けた素子１００を熱圧着などで実装して、各電極にワイヤ２５０などで、発光装置２００のリード電極２１０（ａ，ｂ）とそれぞれ接続して、発光素子を封止部材２３０で封止するなどしたものとなる。
以下に、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子、発光装置の具体例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
実施例１
この実施例の半導体発光装置２００は、図２Ａ、Ｂに示すように、サファイア基板１０１の表面上に、ｎ型窒化物半導体層１２１、発光層１２２及びｐ型窒化物半導体層１２３を積層した半導体層１２０、ｎ層及びｐ層上に電極を形成してなる半導体発光素子１００を用いる。
この基板を研磨して薄くし、そのサファイア基板の裏面に、スパッタ法により、Ａｇ膜（１２０ｎｍ）１１２、Ｎｉ膜（２００ｎｍ）１１３、Ｒｈ膜（３００ｎｍ）１１４を形成する。
【００４３】
これを、エポキシ樹脂からなるダイボンド樹脂を接着層１１５に用いて、１７０℃にて、Ａｇメッキを施したＣｕからなる実装部２１６上に実装し、封止樹脂２３０で封止して、図２Ｂに示すような直径５ｍｍφの砲弾型の半導体発光装置２００を作製する。
なお、比較のために、サファイア基板の裏面に、Ａｌ膜（１０００Å）、Ｗ膜（３０００Å）、Ｐｔ膜（１５００Å）を形成し、それ以外は上記実施例と同様に作製した半導体発光装置も用意する。
【００４４】
得られる半導体発光装置について、それぞれ１０個ずつ、２０ｍＡの駆動電流にて、Ｖｆ及び光出力を測定・比較する。
実施例の双方及び比較例の発光波長４６５ｎｍの青色発光素子を用いる例では、いずれもＶｆはほとんど同程度のものが得られ、上記銀層を用いる半導体発光装置では、光出力が約１８．０ｍＷのものが得られるのに対して、比較例では、光出力が約１７．１ｍＷ程度のものとなる。つまり、メタライズ層として、銀層を用いることにより、Ａｌ膜を用いた比較例に対して５％向上することが確認できる。
【００４５】
なお、実施例及び比較例とも、実装完了し、特性評価の後まで、メタライズ層とサファイア基板との間で剥がれなどの不良が発生しないものが得られる。
【００４６】
また、このような実施例における応力緩和状態を検討するため、Ａｇ層を用いる上記実施例と同様に、サファイア基板表面に、Ａｇ層（１２０ｎｍ）／Ｎｉ層（２００ｎｍ）／Ｒｈ層（５００ｎｍ）が積層された積層構造が設けられた試料を用意する。そして、膜厚が４００、４２０μｍの２種類の基板について、上記応力値を測定すると、その積層構造の測定応力値は１６．８、−１８．１であり、剥がれの発生もなく、好適な積層構造が形成されることがわかる。
【００４７】
別の検討として、Ａｇ膜単層を用いる上記実施例と上記比較例について、上記検討例と同様に半導体層が形成されていない基板上に各積層構造を設け、このとき実施例の積層構造については、Ｒｈ層の膜厚を３００，４００，５００ｎｍとし、更にその上に接着層としてＡｕ−Ｓｎを設けた試料をそれぞれ用意する。そして、３２０℃、３５０℃で熱処理（数分〜数十分）して、その反射率を評価すると、３００〜７００ｎｍの波長域において、比較例の試料は熱処理時間に依らずほぼ一定で８０〜８５％の範囲の反射率となる。実施例の試料では、反射率が８０％以下となる波長域は、膜厚３００ｎｍのものは波長約５５０ｎｍ以下で、膜厚４００ｎｍのものは波長約５００ｎｍ以下で、また熱処理時間によりばらつきが発生し、膜厚５００ｎｍのものは波長約３８０ｎｍ以下となる傾向が観られ、これらの波長より長波長の領域では８０％以上となり、これらのことから、Ｒｈ層の膜厚が大きくなるに従い、耐熱性が向上する傾向がわかる。
【００４８】
実施例２
半導体発光素子を構成するサファイア基板の裏面に対して、Ａｇ膜（１２０ｎｍ）の反射層、Ｎｉ膜（２００ｎｍ）、Ｒｈ膜（５００ｎｍ）、Ａｕ膜（５０００Å）を形成し、これにＡｕ−Ｓｎ共晶半田（膜厚：１μｍ）を用いて、実装基板上に３５０℃にてダイボンディングする以外、実施例１と同様に半導体装置を作製する。また、比較例として、サファイア基板の裏面に、Ａｌ膜（１００ｎｍ）、Ｗ膜（３００ｎｍ）、Ｐｔ膜（１５０ｎｍ）、Ａｕ膜（５００ｎｍ）を形成し、上記実施例と同様にＡｕ−Ｓｎ共晶半田（膜厚：１μｍ）を用いて、実装基板上に３５０℃にてダイボンディングをし、半導体発光装置を作製する。
【００４９】
図３Ａ、Ｂには、上記実施例３、比較例１と同様の反射層等の積層構造をサファイア基板裏面に設けて、熱処理の有無による反射率の変化を示すものである。図３Ａ，Ｂは、それぞれ実施例３，比較例の積層構造形成時（図中「asdepo」と表記）と、３５０℃で３０分間熱処理後のもの（図中「350℃-30min」と表記）とを示すものである。図３Ａ、Ｂに観るように、各例の反射率は、波長４００ｎｍ以上の領域で、比較例のものより優れた反射率の積層構造とできる。また、熱処理の時間を５分〜６０分間で変化させても、本実施例の積層構造の反射率の変化、低下は観られず、各試料において剥がれ等のないものが得られる。
従って、上記実施例で得られる発光装置についても同様に、比較例のＡｌ反射層に比して優れた反射率を実現でき、熱耐性、引いては装置の信頼性に優れ、また、放熱性に優れた装置とできる。
【００５０】
続いて、ダイスサイズによる比較では、ダイスサイズを４２０μｍ×２４０μｍ、６００μｍ、８００μｍ、１０００μｍを用意し、上記同様のＡｇ（本実施例）、Ａｌ（上記比較例）の反射膜で各出力の比は、いずれのダイスサイズにおいても本発明の構成を用いてＡｇ膜で反射層を形成したものの方が約４〜５％以上（発光波長４６５ｎｍ）出力が高くなる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の半導体発光装置は、各種照明器具、車両搭載用照明、ディスプレイ、インジケータ等の発光素子を用いる全てに利用することができる。また、受光装置などの光素子を用いた装置の他、パワートランジスタなどの半導体装置、半導体電子デバイスにも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子及び装置の構造を説明するための要部の概略断面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子及び装置の構造を説明するための概略断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子及び装置の構造を説明するための概略断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施例３に係る積層構造の反射率の波長依存性を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の比較例に係る積層構造の反射率の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、１０１  透光性基板
１１、１２０  半導体層
１２、１１２  銀又は銀合金メタライズ層
１３０  保護層
１３、１１３  ニッケル層・第１金属層
１４、１１４  応力緩和層・第２金属層
１５、１１５  接着層
１６、１１６  実装用基板、実装部
【図１】
0005470673.tif 000002
【図２Ａ】
0005470673.tif 000003
【図２Ｂ】
0005470673.tif 000004
【図３Ａ】
0005470673.tif 000005
【図３Ｂ】
0005470673.tif 000006