(57)【要約】【課題】高光度かつ高耐久性の発光素子を提供し、且つ電極部分の構成を簡略化すること。【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多重厚膜正電極１２０を、ロジウム(Rh)またはそれを含んだ合金より成る第１金属層１１、金(Au)から成る第２金属層１１２、チタン(Ti)又はクロム(Cr)から成る第３金属層１１３の構成とする。これにより、高反射率の正電極が得られる。この多重厚膜正電極１２０は、水分等の浸入があっても腐食されないため、耐久性に優れる。よって保護層１３０の覆う面積を小さくすることができるので、電極部分の構成を簡略化することができ、ワイヤボンディングの不要な発光素子を提供することができる。【選択図】  図１
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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であって、ｐ型半導体層上にその大部分を覆うよう形成された、光を前記基板側へ反射する多重厚膜正電極を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記多重厚膜正電極の前記ｐ型半導体層に接する第１金属層をロジウム(Rh)又はそれを含んだ合金より形成したことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１金属層の膜厚が0.01〜5μmであることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１金属層の上に金(Au)から成る第２金属層を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２金属層の膜厚が0.1〜5μmであることを特徴とする請求項３に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２金属層の上にチタン(Ti)又はクロム(Cr)から成る第３金属層を形成したことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第３金属層の膜厚が5〜1000Åであることを特徴とする請求項５に記載の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５に、フリップチップ型の発光素子９１０の断面図を示す。１０１はサファイヤ基板、１０２はAlN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、１９１は正電極、１３０は保護膜、１４０は負電極である。また、ｐ型層１０６に接続されている厚膜の正電極１９１は、従来例えば、ニッケル(Ni)又はコバルト(Co)より成る膜厚3000Åの金属層により形成されている。
【０００３】
また、透過性の金属薄膜電極とパッド電極を正電極とする発光素子９２０の断面図を図６に示す。III族窒化物系半導体の積層構造は図５の発光素子９１０と同様であるが、透光性の金属薄膜電極１９２、パッド電極１９３を正電極としている。図６の発光素子９２０は金属薄膜電極１９２が透光性であるため、フリップチップ型の発光素子とするためには発光素子を覆う外部部材により、金属薄膜電極１９２を透過した光を所望の方向に反射する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図５のフリップチップ型の発光素子９１０においては、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。また、図６の発光素子９２０は、金属薄膜電極１９２に少なからず光が吸収され、発光素子としての効率が好ましくなかった。
【０００５】
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、高光度かつ高耐久性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厚膜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】
【０００６】
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、第１の手段は、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であって、ｐ型半導体層上にその大部分を覆うよう形成された、光を基板側へ反射する多重厚膜正電極を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、ｐ型半導体層に接する第１金属層をロジウム(Rh)又はそれを含んだ合金より形成したことを特徴とする。
【０００７】
また、第２の手段は、第１の手段において、第１金属層の膜厚が0.01〜5μmであることを特徴とする。第１金属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。
【０００８】
また、第３の手段は、上記のような第１金属層の上に金(Au)から成る第２金属層を形成したことを特徴とする。また、第４の手段は第２金属層の膜厚が0.1〜5μmであることを特徴とする。第２金属層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。
【０００９】
また、 第５の手段は、上記のような 第２金属層の上にチタン(Ti)又はクロム(Cr)から成る第３金属層を形成したことを特徴とする。更に、第６の手段は第３金属層の膜厚が5〜1000Åであることを特徴とする。第３金属層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。
以上の手段により、上記の課題を解決することができる。
【発明の効果】
【００１０】
ロジウム(Rh)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、ロジウム(Rh)又はロジウム(Rh)を含んだ合金を、多重厚膜正電極のｐ層に接する第１金属層として用いることにより、これらの可視光の電極による反射量を十分大きくすることができ、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。
【００１１】
また、上記の金属又は合金は、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。また、ロジウム(Rh)は貴金属元素であるため、ロジウム(Rh)を用いれば水分等に対する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。
【００１２】
この第１金属層の膜厚は、0.01μm以上、5μm以下が良い。この膜厚を0.01μm以下にすると膜厚が薄すぎて、反射されない透過光を生じ、この膜厚を5μm以上にすると、電極形成に多大な時間を要することとなり、好ましくない。
【００１３】
また、金(Au)から成る第２金属層を設けることにより、正電極の抵抗値を上げることなく厚膜正電極とすることができる。また、金(Au)はロジウム(Rh)程ではないものの、光の反射率Ｒが大きい金属であるので、この点でも第１金属層の働きを補うことができる。この第２金属層の膜厚は、0.1μm以上5μm以下であることが望ましい。0.1μm以下にすると膜厚が薄すぎて効果が薄く、この膜厚を5μm以上にすると、電極形成に多大な時間を要することとなり、また、後述する加工工程における都合により負電極の膜厚も不必要に厚くすることになり、好ましくない。
【００１４】
また、チタン(Ti)又はクロム(Cr)から成る第３金属層を設けることにより、基板面の反対側に並ぶ正電極と負電極との間に、例えば酸化珪素膜(SiO2)、窒化珪素膜(SiNx)、或いはポリイミドから成る絶縁層を設けた際、絶縁層の正電極からの剥離を抑えることができる。これにより、後述する加工工程におけるバンプを形成する際にバンプ材により短絡が発生することを防ぐことができる。この第３薄膜金属層の膜厚は、5Å以上、1000Å以下が良い。この膜厚を5Å以下にすると、膜厚が薄すぎて絶縁層との強固な密着性を得ることができず、1000Å以上にするとバンプ材や金ボール等の接続部材との強固な密着性を得ることができなくなるため、好ましくない。
【００１５】
以上のような構成により形成された多重厚膜正電極は、光の反射率が高く、水分等の浸入に対しても耐久性が高いので、保護層を簡略化でき、結果ワイヤボンディングを使用しないで外部電極と接続することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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】
【００１７】
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。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。
【００１８】
また、ｐ型層１０６の上には金属蒸着による多重厚膜電極１２０が、ｎ+層１０３上には負電極１４０が形成されている。多重厚膜電極１２０は、ｐ型層１０６に接合する第１金属層１１１、第１金属層１１１の上部に形成される第２金属層１１２、更に第２金属層１１２の上部に形成される第３金属層１１３の３層構造である。
【００１９】
第１金属層１１１は、ｐ型層１０６に接合する膜厚約0.3μmのロジウム(Rh)又は白金(Pt)より成る金属層である。また、第２金属層１１２は、膜厚約1.2μmの金(Au)より成る金属層である。また、第３金属層１１３は、膜厚約30Åのチタン(Ti)より成る金属層である。
【００２０】
２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1.8μmのアルミニウム(Al)層１４２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。
【００２１】
このように形成された多重厚膜正電極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、第１金属層１１１、第２金属層１１２の側面、第３金属層１１３の上面の一部を覆っている。SiO2膜より成る保護膜１３０の第３金属層１１３を覆う部分の厚さは0.5μmである。
【００２２】
上記のように、多重厚膜正電極１２０をロジウム(Rh)又は白金(Pt)より成る第１金属層、金(Au)より成る第２金属層、チタン(Ti)より成る第３金属層により構成した、発光素子１００の発光光度を測定し、従来の発光素子９１０と比較した。結果を図２に示す。ここから、従来技術による発光素子９１０に比較し、本発明により約60％〜90％発光光度を向上することができた。
【００２３】
次に、発光素子１００の発光光度の経時変化を測定し、従来の発光素子９１０と比較した。結果を図３に示す。ここから、従来技術による発光素子９１０が100時間後に初期発光光度の80％、10０0時間後に初期発光光度の70％まで発光光度が低下するのに対し、本発明の発光素子１００は100時間後に初期発光光度の95％、10０0時間後に初期発光光度の90％の発光光度を保持することができた。即ち、本発明により、従来の発光素子９１０に比較し、著しく耐久性の向上した発光素子とすることができた。
【００２４】
（応用例）
このような構成のフリップチップ型発光素子１００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。図４に、本発明にかかる発光素子１００の具体的な応用例である、発光素子２００の平面図を示す。図４の発光素子２００は、図１の発光素子１００とほぼ同一の構成であり、同一の符号を記載した。発光素子２００は、上面面積の10％以上を負電極、40％以上を正電極とできるので、外部電極との接続はワイヤボンディングに限定されない。一例としては、ハンダ等によるバンプ形成、あるいは金ボールを直接正電極、負電極上に形成し、素子を反転させて回路基板に直接接続することができる。
【００２５】
上記の実施例では、多重厚膜正電極１２０の膜厚は、約1.5μmであったが、多重厚膜正電極１２０の膜厚は、0.11μm以上、10μm以下であれば良い。多重厚膜正電極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。
【００２６】
また、上記の実施例では、第１金属層の膜厚は、0.3μmであったが、第１金属層の膜厚は、0.01〜5μmであればその効果を発揮する。第１金属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。第１金属層１１１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。
【００２７】
また、上記の実施例では、第２金属層の膜厚は、1.2μmであったが、第２金属層の膜厚は、0.1〜5μmであればその効果を発揮する。第２金属層１１２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。第２金属層１１２は、薄過ぎると第１金属層１１１の光の反射を補えず、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、第２金属層１１２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。
【００２８】
また、上記の実施例では、第３金属層の膜厚は、30Åであったが、第３金属層の膜厚は、5〜1000Åであればその効果を発揮する。第３金属層１１２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。第３金属層１１３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。
【００２９】
また、上記の実施例では、第３金属層としてチタン(Ti)を使用したが、第３金属層としてはクロム(Cr)を使用してもよい。
【００３０】
また、上記の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又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又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。
【００３１】
なお、上記の実施例では、発光素子１００の発光層１０４はＭＱＷ構造としたが、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、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。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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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】フリップチップ型の半導体発光素子１００、９１０の発光光度を示す表図。
【図３】フリップチップ型の半導体発光素子１００、９１０の発光光度の経時変化を示す表図。
【図４】本発明によるフリップチップ型の半導体発光素子２００の平面図。
【図５】フリップチップ型の半導体発光素子９１０の模式的断面図。
【図６】透過性薄膜電極を有する発光素子９２０の模式的断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０１：サファイヤ基板
１０２：AlNから成るバッファ層
１０３：GaNから成るｎ+層
１０４：発光層
１０５：AlGaNから成るｐ型層
１０６：GaNから成るｐ型層
１１１：第１金属層
１１２：第２金属層
１１３：第３金属層
１２０：多重厚膜正電極
１３０：保護膜
１４０：負電極
１９１、１９２、１９３：従来の発光素子の正電極を成す金属層
【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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