(57)【要約】【課題】高光度、低駆動電圧の半導体発光素子を提供する。【解決手段】フリップチップ型の III族窒化物系化合物半導体発光素子において、ｐ型半導体層に接続され、光をサファイア基板側へ反射する厚膜正電極をロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、または、これらの合金より形成する。これにより、高反射率、低接触抵抗の正電極が得られる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る層が積層されたフリップチップ型の発光素子において、
ｐ型半導体層に接続され、光を基板側へ反射する正電極は、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、または、これらから成る合金より成り、かつ、前記ｐ型半導体層に直接接合されていることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る層が積層されたフリップチップ型の発光素子に関し、特に高光度で、駆動電圧の低いフリップチップ型の発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に、フリップチップ型の発光素子４００の断面図を示す。１０１はサファイヤ基板、１０２はAlN又はGaNより成るバッファ層、１０３はｎ型のGaN層、１０４は発光層、１０５はｐ型のAlGaN層、１０６はｐ型のGaN層、１２０は正電極、１３０は保護膜、１４０は多層構造の負電極である。また、層１０６に接続されている厚膜の正電極１２０は、従来例えば、ニッケル(Ni)またはコバルト(Co)より成る膜厚3000Åの金属層により形成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発光層１０４より放出された光をサファイヤ基板１０１の側に十分に反射させるために、通常フリップチップ型の正電極１２０には厚膜の金属電極を用いる。しかし、従来技術においては、この厚膜の正電極１２０にニッケル(Ni)やコバルト(Co)などの金属が用いられていたため、波長が380nm〜550nm（青紫、青、緑）の可視光の反射量が十分ではなく、発光素子として十分な発光強度が確保できていなかった。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、高光度、低駆動電圧の発光素子を提供することである。また、他の目的は、高反射率かつ高耐久性の電極を形成することにより、発光素子の電極部分の構成を簡略化し、ワイヤボンディングの不要な発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、基板上にIII族窒化物系化合物半導体から成る層が積層されたフリップチップ型の発光素子において、ｐ型半導体層に接続され、光を基板側へ反射する正電極をロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、または、これらから成る合金より形成し、かつ、この正電極をｐ型半導体層に直接接合することである。
【発明の効果】
【０００６】
銀(Ag)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)は、波長が380nm〜550nm（青紫、青、緑）の可視光に対する光の反射率Ｒが非常に大きい金属（0.6＜Ｒ＜1.0）であるため、これらの金属、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金を正電極を用いることにより、これらの可視光の正電極による反射量を十分大きくする事ができ、よって、発光素子として十分な発光強度を確保することができるようになる。
【０００７】
これらの正電極、又は、正電極第１層に用いられる金属元素の特性を纏めた一覧表を図６に示す。本一覧表については、後で詳しく説明するが、上記の５種類の金属元素は、これらの多面的な実験結果（図６）より、上記正電極に用いる金属として最も優れた元素であることが判っている。
例えば、上記の金属または合金は、仕事関数が大きい等の理由により、ｐ型半導体層との接触抵抗が小さいので、これらの金属を用いれば、同時に低駆動電圧の発光素子を実現することができる。
【０００８】
また、上記の金属は、貴金属若しくは白金族元素であるため、これらの金属を用いれば、例えば水分等に対する経時的な耐蝕性が良好となり、信頼性の高い電極を形成することができるという効果も同時に得られる。
また、特に、ロジウム(Rh)は、反射率の面で若干銀(Ag)には劣るものの、その他の物性では、いずれも他の金属よりも優れた特性、若しくは、同等以上の特性を示すため、総合的に見れば、正電極又は正電極第１層に用いる金属元素としては、最適の材料である。
【０００９】
また、ルテニウム(Ru)は、物性上ロジウム(Rh)と酷似又は類似の性質を持つので、正電極、又は、正電極第１層に用いる金属元素としては、ロジウム(Rh)と略同様に良い材料である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１１】
図１に、本発明によるフリップチップ型の半導体発光素子１００の模式的断面図を示す。サファイヤ基板１０１の上には窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約200Åのバッファ層１０２が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaNから成る膜厚約4.0μmの高キャリア濃度ｎ+層１０３が形成されている。
【００１２】
そして、ｎ+層１０３の上にGaNとGa0.8In0.2Nからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０４が形成されている。発光層１０４の上にはマグネシウム(Mg)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成る膜厚約600Åのｐ型層１０５が形成されている。さらに、層１０５の上にはマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成る膜厚約1500Åのｐ型層１０６が形成されている。
【００１３】
又、層１０６の上には金属蒸着による第１薄膜金属層１１１が、ｎ+層１０３上には負電極１４０が形成されている。第１薄膜金属層１１１は、層１０６に接合する膜厚約１０Åのコバルト(Co)またはニッケル(Ni)より成る金属層で構成されている。正電極１２０は、膜厚約3000Åの銀(Ag)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金より成る金属層により構成されている。
【００１４】
多層構造の負電極１４０は、膜厚約175Åのバナジウム(V)層１４１と、膜厚約1000Åのアルミニウム(Al)層１４２と、膜厚約500Åのバナジウム(V)層１４３と、膜厚約5000Åのニッケル(Ni)層１４４と膜厚約8000Åの金(Au)層１４５とを高キャリア濃度ｎ+層１０３の一部露出された部分の上から順次積層させることにより構成されている。また最上部には、SiO2膜より成る保護膜１３０が形成されている。
上記のように、正電極１２０を銀(Ag)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金より成る金属層により構成することにより、図３の表中の項番１、項番２に示す従来技術による半導体発光素子４００よりも約１０％〜５０％発光強度を向上することができた。
【実施例２】
【００１５】
図２に、本発明によるフリップチップ型の半導体発光素子２００の模式的断面図を示す。本発光素子２００は、第１実施例における発光素子１００に第２薄膜金属層１１２を追加したものであり、その他の点では発光素子１００となんら変わっていない。この第２薄膜金属層１１２は、膜厚約150Åの金(Au)より成る金属層により構成されており、膜厚約10Åのコバルト(Co)またはニッケル(Ni)より成る第１薄膜金属層１１１を積層後、第１薄膜金属層１１１と同様に金属蒸着により形成されたものである。
この第２薄膜金属層１１２を第１薄膜金属層１１１と正電極１２０との間に形成することにより、より一層強固に正電極１２０を層１０６に接続することができる。
【００１６】
図３に、フリップチップ型の半導体発光素子１００、２００および４００の性能比較表を示す。尚、この表には、第１実施例において、正電極１２０を銀(Ag)、或いは、ロジウム(Rh)で構成し、第１薄膜金属層１１１の構成を省略した場合の実施例も合わせて掲載した（項番３及び項番３.1、項番３.1は請求項１の発明に対応）。
この表からも判るように、本発明による半導体発光素子１００または２００の構成によれば、正電極１２０を銀(Ag)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金より成る金属層で形成することにより、発光強度を従来技術による半導体発光素子４００（項番１、項番２）よりも約10%〜50%向上することができる。
【００１７】
尚、項番１、２の発光素子４００において、第１薄膜金属層が設けられていないのは、正電極１２０自身が、既に第１薄膜金属層の構成金属元素であるコバルト(Co)またはニッケル(Ni)により形成されているためであり、これにより、正電極１２０と層１０６との間の密着性が、既に十分確保されているためである。図３において正電極１２０がコバルト(Co)またはニッケル(Ni)により形成された発光素子４００（項番１、項番２）の相対光度が低いのは、膜厚正電極１２０を構成する金属元素の反射率が小さいためであって、第１薄膜金属層１１１の有無は、図３における相対光度の優劣をもたらす要因とは成っていない。
【００１８】
むしろ逆に、銀(Ag)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金より正電極１２０を形成する場合には、図３の項番３と項番４とを比較しても判るように、第１薄膜金属層１１１または第２薄膜金属層１１２が無い方が、より大きな発光強度を得ることができる。即ち、このような構成によれば、正電極１２０と層１０６との間の密着性についてはいくらか劣るものの、発光光度の面ではより優れた値を示す。これは、第１薄膜金属層１１１または第２薄膜金属層１１２による光の吸収が無くなるためである。
【００１９】
また、特に、図３項番３.1の第１及び第２薄膜金属層を積層せずに、直接ｐ型のGaN層１０６の上に膜厚約3000Åのロジウム(Rh)より成る正電極１２０を形成した発光素子４００では、項番８の発光素子２００と略同量の光度と、同等以上に強固なGaN層１０６との密着性を得ることができた。これは、ロジウム(Rh)の持つ高い反射率、及び、GaN層との強固な密着性に依るものであり、項番３.1の発光素子４００は、これらの両面で項番５の発光素子１００よりも優れている。
即ち、項番３.1の発光素子４００を製造すれば、ロジウム(Rh)の持つ特性により、第１及び第２薄膜金属層を積層せずに、光度、密着性等が十分に良好な発光素子を提供できる。従って、この項番３.1の構成によれば、第１及び第２薄膜金属層の積層工程を省略して、生産性の高い、量産に最適な発光素子４００を製造することも可能となる。
【００２０】
上記の実施例では、正電極１２０の膜厚は、約3000Åであったが、正電極１２０の膜厚は、100Å以上、5μm以下であれば良い。正電極１２０の膜厚が100Å未満だと、光を十分に反射することができなくなり、5μmを越えると、蒸着時間や材料が必要以上に掛かり生産コストの面で劣る。
【００２１】
また、上記の実施例では、第１薄膜金属層の膜厚は、約10Åであったが、第１薄膜金属層の膜厚は、2Å以上、200Å以下であればその効果を発揮する。第１薄膜金属層１１１の膜厚は、より望ましくは、5Å以上、50Å以下がよい。第１薄膜金属層１１１は、薄過ぎると層１０６と正電極１２０とを強く結合させることができなくなり、厚過ぎると光の吸収が起こり、発光光度が落ちる。
【００２２】
また、上記の実施例では、第２薄膜金属層の膜厚は、約150Åであったが、第２薄膜金属層の膜厚は、10Å以上、500Å以下であればその効果を発揮する。第２薄膜金属層１１２の膜厚は、より望ましくは、30Å以上、300Å以下がよい。第２薄膜金属層１１２は、薄過ぎると第１薄膜金属層１１１と正電極１２０とを強く結合させることができなくなり、厚過ぎると光の吸収が起こり、発光光度が落ちる。
【００２３】
また、上記の実施例では、正電極１２０は単層構造をしていたが、正電極１２０は、多層構造を備えていてもよい。層１０６、第１薄膜金属層１１１または第２薄膜金属層１１２の上から、例えば、膜厚約5000Åの銀(Ag)、膜厚約800Åのニッケル(Ni)、膜厚約8000Åの金(Au)を順次蒸着により積層することにより、膜厚約1.4μmの正電極を形成してもよい。このような構成によっても、正電極による反射効率の十分高い高光度の発光素子を得ることができる。
【実施例３】
【００２４】
図４に、本発明によるフリップチップ型の半導体発光素子３００の模式的断面図を示す。サファイヤ基板１０１の上には窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約200Åのバッファ層１０２が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaNから成る膜厚約4.0μmの高キャリア濃度ｎ+層１０３が形成されている。そして、層１０３の上にGaNとGa0.8In0.2Nからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０４が形成されている。発光層１０４の上にはマグネシウム(Mg)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成る膜厚約600Åのｐ型層１０５が形成されている。さらに、ｐ型層１０５の上にはマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成る膜厚約1500Åのｐ型層１０６が形成されている。
【００２５】
また、ｐ型層１０６の上には金属蒸着による多層構造を有する正電極１２０（以下、「多重正電極１２０」と言う場合がある。）が、ｎ+層１０３上には負電極１４０が形成されている。多重正電極１２０は、ｐ型層１０６に接合する正電極第１層１２１、正電極第１層１２１の上部に形成される正電極第２層１２２、更に正電極第２層１２２の上部に形成される正電極第３層１２３の３層構造である。
【００２６】
正電極第１層１２１は、ｐ型層１０６に接合する膜厚約0.1μmのロジウム(Rh)又は白金(Pt)より成る金属層である。また、正電極第２層１２２は、膜厚約1.2μmの金(Au)より成る金属層である。また、正電極第３層１２３は、膜厚約20Åのチタン(Ti)より成る金属層である。
【００２７】
多層構造の負電極１４０は、膜厚約175Åのバナジウム(V)層１４１と、膜厚約1000Åのアルミニウム(Al)層１４２と、膜厚約500Åのバナジウム(V)層１４３と、膜厚約5000Åのニッケル(Ni)層１４４と膜厚約8000Åの金(Au)層１４５とを高キャリア濃度ｎ+層１０３の一部露出された部分の上から順次積層させることにより構成されている。
【００２８】
このように形成された多重正電極１２０と負電極１４０との間にはSiO2膜より成る保護膜１３０が形成されている。保護層１３０は、負電極１４０を形成するために露出したｎ+層１０３から、エッチングされて露出した、発光層１０４の側面、ｐ型層１０５の側面、及びｐ型層１０６の側面及び上面の一部、正電極第１層１２１、正電極第２層１２２の側面、正電極第３層１２３の上面の一部を覆っている。SiO2膜より成る保護膜１３０の正電極第３層１２３を覆う部分の厚さは0.5μmである。
【００２９】
上記のように、多重正電極１２０をロジウム(Rh)又は白金(Pt)より成る正電極第１層、金(Au)より成る正電極第２層、チタン(Ti)より成る正電極第３層により構成した、本発明による発光素子３００の発光光度を測定し、従来の発光素子４００と比較した。結果を図５に示す。ここから、従来技術による発光素子４００に比較し、本発明により約30％〜40％発光光度を向上することができた。
【００３０】
このような構成のフリップチップ型発光素子３００は、高い発光光度と高い耐久性を持ち合わせており、保護層１３０を大幅に省略でき、外部電極との接続に際し、正電極、負電極とも広い面積を使用することができる。このため、ハンダ等によるバンプ形成や、直接正電極、負電極上での金ボール形成により、発光素子を反転させて回路基板に直接接続することも可能である。
或いは、また、外部電極との接続は、ワイヤボンディングなどによって実施しても良い。
【００３１】
尚、上記の第３実施例では、多重正電極１２０の膜厚は、約1.3μmであったが、この多重正電極１２０の膜厚は、0.11μm以上、10μm以下であれば良い。この多重正電極１２０の膜厚が0.11μm未満だと、光を十分に反射することができなくなり、バンプ材や金ボール等の接続部材との強固な密着が得られなくなる。一方、10μmを越えると、蒸着時間や材料が必要以上に掛かり生産コストの面で劣る。
【００３２】
また、上記の第３実施例では、正電極第１層１２１の膜厚は、0.1μmであったが、正電極第１層の膜厚は、0.01〜5μmであればその効果を発揮する。正電極第１層の膜厚は望ましくは0.02〜2μmであり、より望ましくは0.05〜1μmである。正電極第１層１２１は、薄過ぎると光の反射が不十分となり、厚過ぎると蒸着時間や材料が必要以上に掛かり、生産コストの面で劣る。
【００３３】
また、第３実施例では、正電極第２層１２２の膜厚は、1.2μmであったが、正電極第２層の膜厚は、0.1〜5μmであればその効果を発揮する。正電極第２層１２２の膜厚は望ましくは0.2〜3μmであり、より望ましくは0.5〜2μmである。正電極第２層１２２は、薄過ぎると、バンプ材や金ボール等の接続部材との強固な密着が得られなくなる。一方、厚過ぎると負電極１４０のバランスをとる必要上、正電極第２層１２２と負電極１４０の両方で蒸着時間や材料が必要以上に掛かり、好ましくない。
【００３４】
また、第３実施例では、正電極第３層１２３の膜厚は、20Åであったが、正電極第３層の膜厚は、5〜1000Åであればその効果を発揮する。正電極第３層１２３の膜厚は望ましくは10〜500Åであり、より望ましくは15〜100Åである。正電極第３層１２３は、薄過ぎると保護層との密着性が悪くなり、厚過ぎると抵抗値が高くなり、好ましくない。
【００３５】
また、第３実施例では、正電極第３層としてチタン(Ti)を使用したが、正電極第３層としては、チタン(Ti)、クロム(Cr)、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金を使用してもよい。
【００３６】
図６に、正電極、又は、正電極第１層に用いられる金属元素の特性を纏めた一覧表を示す。本一覧表の各評価項目は、以下の通りである。
反射率：発光層１０４からの所定量の発光に対する、波長が380nm〜550nm（青紫、青、緑）の可視光の反射量による評価。
接触抵抗（駆動電圧）：GaN層との接触抵抗に対する発光素子の駆動電圧による評価。
GaN層との密着性：所定の耐久テストにおける不具合箇所の発生頻度による評価。
耐蝕性：各元素の物性値、及び、性質による評価。
Au積層後の特性安定性：発光素子３００における金(Au)より成る正電極第２層１２２積層後の駆動電圧の上昇、及び、上記可視光の反射量の劣化による評価。
総合評価（商用量産可否）：発光素子の量産を前提とした、上記の５個の評価項目を基とする総合的考察による評価。
【００３７】
特に、フリップチップ型の化合物半導体発光素子の場合、上記の評価項目「反射率」、「接触抵抗（駆動電圧）」における評価が共に良（○）以上であることが、製品としての必要条件となるため、本発明の有効性が、図６の一覧表より判る。
【００３８】
また、特に、ロジウム(Rh)は、反射率の面で若干銀(Ag)には劣るものの、その他の評価項目では、いずれも他の金属よりも優れた特性、若しくは、同等以上の特性を示しており、正電極、又は、正電極第１層に用いる金属元素としては、最適の材料であることが判る。
【００３９】
また、ルテニウム(Ru)は、物性上ロジウム(Rh)と酷似又は類似の性質を持つので、正電極、又は、正電極第１層に用いる金属元素としては、ロジウム(Rh)と略同様に良い材料である。
【００４０】
尚、上記の第１乃至第３実施例における発光素子の各層の構成は、あくまでも各層を形成する際の物理的または化学的構成であって、その後、より強固な密着性を得るために、あるいは、コンタクト抵抗の値を下げる等の目的で実施される例えば熱処理などのような物理的または化学的処理によって各層間では、固溶あるいは化合物形成が起きていることは言うまでもない。
【００４１】
また、上記の第１乃至第３実施例では、発光素子の発光層１０４はＭＱＷ構造としたが、発光層１０４の構造は、ＳＱＷ構造やホモ接合構造でもよい。また、本発明の発光素子を形成するIII族窒化物系化合物半導体層はバッファ層をも含み、これらの層は任意の混晶比の４元、３元、２元系のAlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1）としても良い。
【００４２】
また、バッファ層には、上記のIII族窒化物系化合物半導体の他にも、窒化チタン(TiN)、窒化ハフニウム(HfN)等の金属窒化物や、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化マンガン(MnO)等の金属酸化物を用いてもよい。
【００４３】
また、ｐ型不純物としては、マグネシウム(Mg)の他、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)等の２族元素を用いることができる。また、これらがドープされたｐ型半導体層をより低抵抗にするためには、更に、電子線照射やアニーリングなどの活性化処理を行っても良い。
【００４４】
また、上記の実施例では、高キャリア濃度ｎ+層１０３は、シリコン(Si)ドープの窒化ガリウム(GaN）より形成したが、これらのｎ型半導体層は、上記のIII族窒化物系化合物半導体に、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等のIV族元素、又は、VI族元素をドープすることにより形成しても良い。
【００４５】
また、結晶成長の基板には、サファイヤの他に、炭化珪素(SiC）、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化マンガン(MnO)等を使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるフリップチップ型の半導体発光素子１００の模式的断面図。
【図２】本発明によるフリップチップ型の半導体発光素子２００の模式的断面図。
【図３】フリップチップ型の半導体発光素子１００、２００、４００の性能比較表。
【図４】本発明によるフリップチップ型の半導体発光素子３００の模式的断面図。
【図５】フリップチップ型の半導体発光素子３００、４００の発光光度を示す表。
【図６】正電極、又は、正電極第１層に用いられる金属元素の特性を纏めた一覧表。
【図７】フリップチップ型の半導体発光素子４００の模式的断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１０１：サファイヤ基板
１０２：AlNバッファ層
１０３：ｎ型のGaN層
１０４：発光層
１０５：ｐ型のAlGaN層
１０６：ｐ型のGaN層
１１１：第１薄膜金属層
１１２：第２薄膜金属層
１２０：正電極
１２１：正電極第１層
１２２：正電極第２層
１２３：正電極第３層
１３０：保護膜
１４０：多層構造の負電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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