(57)【要約】【課題】応力が低減され、信頼性が改善された発光装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光層を含む積層体と、前記積層体の上に設けられた電極と、前記電極の上に設けられたパッド電極と、を含む発光素子と、金属ボンディング層を有する実装部材と、前記パッド電極と、前記金属ボンディング層と、を接着し金を含む合金半田と、を備え、前記パッド電極は、前記電極の上に設けられ前記電極よりも厚い第１の金層及び前記第１の金層の上に設けられた第１の金属バリア層を少なくとも有し、前記合金半田の融点は、前記第１の金属バリア層と前記合金半田を構成するそれぞれの元素との合金の融点よりも低いことを特徴とする発光装置が提供される。【選択図】図１
2008258459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光層を含む積層体と、前記積層体の上に設けられた電極と、前記電極の上に設けられたパッド電極と、を含む発光素子と、
金属ボンディング層を有する実装部材と、
前記パッド電極と、前記金属ボンディング層と、を接着し金を含む合金半田と、
を備え、
前記パッド電極は、前記電極の上に設けられ前記電極よりも厚い第１の金層及び前記第１の金層の上に設けられた第１の金属バリア層を少なくとも有し、
前記合金半田の融点は、前記第１の金属バリア層と前記合金半田を構成するそれぞれの元素との合金の融点よりも低いことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記第１の金属バリア層の上には、金を含む第１の表面保護層がさらに設けられたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記金属ボンディング層は、第２の金層と第２の金属バリア層とを有し、
前記合金半田の融点は、前記第２のバリア金属と前記合金半田を構成するそれぞれの元素との合金の融点よりも低く、
前記第２の金属バリア層側が前記合金半田と接着されたことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
半導体発光層を含む積層体の上に設けられた電極の上に、第１の金層と、第１の金属バリア層と、金を含む第１の表面保護層と、がこの順序に積層されたパッド電極を形成する工程と、
実装部材の上面を構成する金属ボンディング層と、前記第１の表面保護層と、の間に介在させた金を含む合金半田を溶融し、前記パッド電極と前記金属ボンディング層とを接着する工程と、
を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項５】
前記金属ボンディング層は、第２の金層と、第２の金属バリア層と、金を含む第２の表面保護層と、がこの順序に積層されたことを特徴とする請求項４記載の発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光装置において、発光層側をヒートシンクに近くなるように配置するジャンクションダウン構造が放熱性にすぐれる。この場合、発光層を含む半導体積層体上に設けられた電極と、実装部材の金属ボンディング層とが、例えば合金半田により接着される。  
発光装置において、組立工程の昇温及び降温により応力が印加され、組立工程が終了しても残留することがある。また、衝撃を含めた機械的な応力が印加されることもある。このような応力は、発光装置の特性変動や信頼性低下を生じることがあるので、低減されることが好ましい。  
半導体レーザ素子、応力を低減する絶縁性サブマウント、金属ヒートシンクなどの部材が積層された半導体レーザ装置の技術開示例がある（特許文献１）。
【特許文献１】米国特許第６、８０４、２７６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
応力が低減され、信頼性が改善された発光装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様によれば、半導体発光層を含む積層体と、前記積層体の上に設けられた電極と、前記電極の上に設けられたパッド電極と、を含む発光素子と、金属ボンディング層を有する実装部材と、前記パッド電極と、前記金属ボンディング層と、を接着し金を含む合金半田と、を備え、前記パッド電極は、前記電極の上に設けられ前記電極よりも厚い第１の金層及び前記第１の金層の上に設けられた第１の金属バリア層を少なくとも有し、前記合金半田の融点は、前記第１の金属バリア層と前記合金半田を構成するそれぞれの元素との合金の融点よりも低いことを特徴とする発光装置が提供される。
【０００５】
また、本発明の他の一態様によれば、半導体発光層を含む積層体の上に設けられた電極の上に、第１の金層と、第１の金属バリア層と、金を含む第１の表面保護層と、がこの順序に積層されたパッド電極を形成する工程と、実装部材の上面を構成する金属ボンディング層と、前記第１の表面保護層と、の間に介在させた金を含む合金半田を溶融し、前記パッド電極と前記金属ボンディング層とを接着する工程と、を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
応力が低減され、信頼性が改善された発光装置及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる発光素子を表す。図１（ａ）のように、半導体の基板１０上には、ｎ型層１２と、発光層１４と、ｐ型層１６とを含む積層体２０が、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などを用いて形成される。
【０００８】
続いて、積層体２０上に積層体２０とオーミックコンタクトをなすオーミック電極２２が形成される。さらに、オーミック電極２２を覆うようにオーミック電極２２よりも厚い金層２６と、その上に設けられた金属バリア層２８と、を含むパッド電極３０が形成され、基板１０にｎ側電極２３が形成され発光素子５となる。
【０００９】
ｐ型層１６と接触するオーミック電極２２の金属をＴｉ（チタン）とすると接触抵抗が小さくできる。オーミック電極２２（厚さＧ）の構成は、Ｔｉ／Ｐｔ（白金）、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（金）、Ｔｉ／Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ／Ｍｏ／Ａｕなどが好ましく、厚さＧは、例えば０．３〜１μｍであることが好ましい。
【００１０】
また、オーミック電極２２を覆うように、パッド電極３０が設けられる。パッド電極３０は、金層２６（厚さＨ）と、金属バリア層２８（厚さＪ）とを少なくとも含む。金層２６は、延性及び展性に富み、発光素子５と実装部材４６との間の応力を低減できる。このために、金層２６の厚さＨがオーミック電極２２の厚さＧよりも厚いことが好ましく、厚さＨは例えば１〜５μｍである。このような厚い金層２６は、メッキなどにより容易に形成できる。金層２６の上に設けられる金属バリア層２８は、例えばＰｔ、Ｍｏ、Ｗ、などの単一の金属、これらの複層、並びにこれらの合金などであり、厚さＪは厚さＧよりも薄くてもよく、例えば０．０５〜０．５μｍである。
【００１１】
他方、金属ボンディング層４２（厚さＬ）はサブマウント材４０上に設けられ実装部材４６を構成する。金属ボンディング層４２とサブマウント材４０との間にＴｉなどの導電層を設けると密着性が改善できる。金属ボンディング層４２は、リードに設けられ、パッケージのような実装部材（図示せず）を構成してもよい。  
そして、パッド電極３０と金属ボンディング層４２との間に介在させた合金半田５０を溶融させてこれらを接合する。合金半田５０としては、例えば金を含む合金を用いることができる。
【００１２】
金を含む合金半田５０（厚さＫ）には、例えばＡｕＳｎ（金錫）、ＡｕＳｉ（金シリコン）、ＡｕＧｅ（金ゲルマニウム）などがある。この共晶合金の融点は、組成により変化し相図により表される。合金半田５０の厚さＫは、例えば０．５〜５μｍである。また、合金半田５０としては、例えばＳｎＡｇＣｕを用いることもできる。一方、金層２６により応力が低減されるので、金属ボンディング層４２の厚さＬは金層２６の厚さＨより薄くてもよく、例えば０．３〜１．０μｍである。なお、金属ボンディング層４２は、金を含まなくともよいが、金の方が接着を確実にできる。
【００１３】
図１（ｂ）は発光素子５と、金属ボンディング層４２とを、加圧及び合金半田５０の溶融により接着した模式断面図である。合金半田５０の融点は、金属バリア層２８と合金半田５０を構成する元素とのそれぞれの合金の融点よりも低くされ、合金半田５０が溶融してパッド電極３０と金属ボンディング層４２とが接着される。この場合、合金半田５０の融点は、金属バリア層２８と合金半田５０を構成するそれぞれの元素との合金の融点よりも低く合金半田５０が金層２６と合金化することを抑制する。なお、金属バリア層２８と合金半田５０を構成する元素が実質的に合金を形成しなくてもよい。
【００１４】
金属ボンディング層４２が金を含んでいれば合金半田５０の組成が変化するが、金属ボンディング層４２の厚さＬは金層２６の厚さＨよりも薄く、金層２６が合金化する場合と比べて合金組成の変化の影響を少なくできる。この場合にも、金属ボンディング層４２の金と合金半田５０とが合金化されるが、金属バリア層２８により金層２６と合金半田５０との合金化が抑制できる。
【００１５】
図１（ｂ）におけるように、金属バリア層２８があるために金層２６は合金半田５０と溶融しない。この金層２６が存在するために、発光層１４を含む積層体２０へ印加される応力が低減され、転位など結晶性の劣化による発光素子５の特性変化を抑制でき、信頼性を改善できる。また、金の熱伝導率（０℃）は２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、Ｓｎ（錫）の６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｗ（タングステン）の１７７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｐｔの７２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｍｏの１３９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ａｕ80Ｓｎ20の５７Ｗ／（ｍ・Ｋ）などよりも高い。このために、放熱性が改善され通電動作における長期信頼性がさらに改善される。
【００１６】
ここで、合金半田５０をＡｕＳｎとした場合の融点の変化について説明する。
図２は、ＡｕＳｎ合金の相図を表し、縦軸は温度、横軸はＳｎ重量％である。Ａｕが約８０％、Ｓｎが約２０％の重量組成であるＰ０点において、合金の融点は約２８２℃となり最も低い。すなわち、Ｓｎの重量％がＰ０点から大きい側、小さい側のいずれにずれても融点は高くなる。
【００１７】
ところで、金属バリア層２８が設けられない場合、厚い金層２６と合金半田５０とが溶融し金の重量％がより高く、すなわち図２のＰ１点より左の方向へ移動し（矢印方向）、融点は４２０℃よりも高くなる。高いマウント温度では昇温及び降温に伴う線膨張率の違いにより生じる熱応力が大きくなり、発光装置の特性及び信頼性を低下させる可能性がある。従って、融点を４２０℃以下とすることが好ましい。また、高いマウント温度では組立装置における昇温及び降温時間が長くなり生産性を低下させる。
【００１８】
他方、Ｓｎが約３５重量％である近傍には融点が極大値の約４２０℃となるＰ２点がある。Ｓｎの組成量がこれよりも多くなると融点が低下するが、接合強度の低下や合金半田５０の酸化を生じる可能性がある。
【００１９】
これらのために、Ｓｎの組成の重量％を、Ｐ１点の１５からＰ２点の３５重量％の変化範囲内に抑えることが好ましい。本実施形態において、金属ボンディング層４２が金を含む場合、金が合金化したとしても、その厚さが薄いのでＳｎを１５〜３５重量％の範囲内とすることは容易である。すなわち、設定温度を４２０℃以下と低く、かつ温度範囲を狭く設定でき、熱応力の低減及び実装工程の生産性向上が可能となる。以上、ＡｕＳｎについて説明したが、ＡｕＧｅ，ＡｕＳｉなどの合金半田を用いることもできる。
【００２０】
図３は、第２の実施形態にかかる発光装置を表す模式図である。本実施形態は窒化物系半導体レーザ装置であるが、窒化物系と限定されず他の材料であってもよい。なお、本明細書において、窒化物系半導体とは、（ＡｌxＢ1-x）yＧａzＩｎ1-y-zＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｙ＋ｚ≦１）からなる半導体をいい、さらにＶ族元素としてＡｓやＰなどを含むものや、ｐ型あるいはｎ型の不純物を含むものも窒化物系半導体に包含されるものとする。
【００２１】
基板１０はｎ型ＧａＮとし、図３のように窒化物系半導体からなる積層体２０のｐ型層１６はリッジ導波路１７（幅Ｘ、高さＭ）と、その両側の溝部１８（幅Ｙ）とを有している。光共振器を構成するリッジ導波路１７の上部を残して、ＳｉＯ2のような絶縁膜２４が形成されている。リッジ導波路１７の上部には、オーミック電極２２（厚さＧ）となるｐ側電極が形成される。ここで、厚さＧ、Ｈ、Ｊは、第１の実施形態とそれぞれ同様の範囲とする。
【００２２】
また、高さＭは１μｍ以下、幅Ｘは１〜２μｍ、幅Ｙは５〜３０μｍであり 、パッド電極３０は２つの溝部１８を覆うように設けられる。半導体レーザ装置の場合、発光層１４のうちリッジ導波路１７により導波された発光領域１９が主として発熱源となる。なお、絶縁膜２４と金層２６との間にＴｉなどの導電層を設けると密着性が改善できる。
【００２３】
第２の実施形態の場合、積層体２０のリッジ導波路１７及び発光領域１９近傍において熱応力を含む応力が低減され、信頼性が改善される。特に、窒化物系材料はヤング率が高く塑性変形が小さいので内部に応力が集中しやすい。そこで、例えばヤング率が２．９×１０11Ｎ／ｍ2であるＧａＮと、２．７×１０11Ｎ／ｍ2であるＡｌＮ（サブマウント材）との間に７．８×１０10Ｎ／ｍ2である金を挟むことにより応力を低減することが容易となる。溝部１８はリッジ導波路１７と略同一の高さとされるが、図３（ｂ）のようにパッド電極部３０表面の凹みは合金半田５０が溶融して埋め込まれるので良好な放熱性を維持できる。
【００２４】
また、積層体２０の溝部１８の外側の高さをリッジ導波路１７と略同一とし、応力がリッジ導波路１７に集中することを抑制し、リッジ導波路１７の機械的衝撃による損傷などを防止できる。なお、発光領域１９近傍で生じる熱は、矢印の方向に金層２６、合金半田５０、実装部材４６などを経由して外部へ放散され、放熱性が改善される。
【００２５】
さらに、基板１０に結晶成長された窒化物系半導体からなる積層体２０の表面には異常成長が起こりやすく、１μｍ以上の高さの突起を生じることもあるが、金層２６を厚く形成するとこの突起と実装部材４６の金属ボンディング層４２との接触を防止できる。
【００２６】
図４は、第２実施形態の変形例にかかる発光装置の模式断面図である。本変形例においては、図４（ａ）のように、パッド電極部３０の金属バリア層２８の上に金などの表面保護層２９（厚さＲは、例えば０．０５〜０．２μｍ）が設けられる。この厚さＲは、金属バリア層２８の厚さＪよりも薄くてよい。表面保護層２９の薄い金層が合金半田５０と合金化し金の重量％がやや高くなるが、その融点は、金属バリア層２８と合金半田５０を構成するそれぞれの元素との合金の融点よりも低く、金層２６の合金化を抑制する。
【００２７】
図４（ｂ）は、金属ボンディング層４２の上の合金半田５０が溶融されてパッド電極３０と金属ボンディング層４２とが接着された発光装置の模式断面図である。溶融した合金半田５０は、金属バリア層２８と金属ボンディング層４２とそれぞれ接触した状態で固化するが、合金半田５０と金属バリア層２８との間に、表面保護層２９が合金化されずに部分的に残っていてもよい。
【００２８】
さらに、図４（ａ）のように、金属ボンディング層４２は金層４１、第２の金属バリア層４３、金などの表面保護層４４（厚さＳは、例えば０．０５〜０．２μｍ）がこの順序で積層され、表面保護層４４の上に合金半田層５０が形成されていてもよい。この場合、金属バリア層２８、４３の材料は、同一でも異なってもよい。
【００２９】
図５は、パッド電極３０と金属ボンディング層４２とにバリア層２８、４３及び表面保護層２９、４４とを含む第２実施形態の変形例の接着工程を説明するフロー図である。オーミック電極２２及び溝部１８の底面部を覆うように金層２６と、金属バリア層２８と、表面保護層２９とを含むパッド電極３０が形成される（ステップＳ１００）。他方、サブマウント材４０の上に金層４１と、金属バリア層４３と、表面保護層４４とを含む金属ボンディング層４２とが積層された実装部材４６が形成される（ステップＳ１０２）。
【００３０】
続いて、金を含む合金半田５０が、表面保護層２９、４４うちの少なくともいずれかに形成される（ステップＳ１０４）。加圧状態で合金半田５０が溶融され、パッド電極３０と金属ボンディング層４２とが接着される（ステップ１０６）。
【００３１】
本変形例において、金属バリア層２８、４３の上に金などの表面保護層２９、４４があり合金半田５０との濡れ性が改善され接着が容易となる。この場合、金属バリア層２８、４３と表面保護層２９、４４とを同一真空チャンバ中で連続して形成するとさらに好ましい。なお、表面保護層２９、４４が金である場合、合金半田５０の組成が溶融後変化するが、その厚さＲ、Ｓを合金半田５０の厚さよりも薄くすると、その組成変動範囲を狭くでき、融点を図２のＰ１点とＰ２点との間の範囲内に制御することが容易となり、より安定した接着工程及び高い生産性が可能となる。
【００３２】
図６は、合金半田５０の接着工程を表す図である。図１（ａ）、図３（ａ）、図４（ａ）において、合金半田５０は金属ボンディング層４２にのみ形成されている。しかし合金半田５０は、パッド電極３０に形成されてもよい。図６（ａ）では、合金半田５０を発光素子５のパッド電極３０に形成する。この場合、パッド電極３０の形成工程に続いて合金半田５０を、蒸着法またはメッキ法などにより連続して形成でき、工程の簡素化が可能となる。また、図６（ｂ）では、合金半田５０をパッド電極３０と金属ボンディング層４２との両方に形成する。この場合、パッド電極３０と、金属ボンディング層４２と、において略同一の接着強度とできる。
【００３３】
第１及び第２実施形態、これらに付随する変形例により、合金半田５０と合金化させずに金層２６を保つことができるパッド電極３０により、応力が低減され、信頼性が改善された発光装置が提供される。さらに、合金半田５０の組成が安定し、生産性の高い発光装置の製造方法が提供される。
【００３４】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら実施形態に限定されない。本発明を構成する積層体、オーミック電極、パッド電極、金属バリア層、表面保護層、金属ボンディング層、合金半田、実装部材などに関し、当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態にかかる発光装置を表す模式図。
【図２】合金半田の相図。
【図３】第２の実施形態にかかる発光装置を表す模式図。
【図４】第２の実施形態の変形例を表す模式図。
【図５】図４の変形例の接着工程のフロー図。
【図６】合金半田の接着工程を表す模式図。
【符号の説明】
【００３６】
５  発光素子、１４  発光層、２０  積層体、２２  オーミック電極、２６  金層、２８  金属バリア層、２９  表面保護層、３０  パッド電極、４０  合金半田、４１  金層、４２  金属ボンディング層、４３  金属バリア層、４４  表面保護層、４６  実装部材
【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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