(57)【要約】【課題】  良好なオーミック特性、ボンディング特性および発光出力を有するフリップチップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を得ること。【解決手段】  ｐ型半導体層に接するロジウムからなるオーミック電極層、該オーミック電極層上の厚さ１０Å以上のチタンからなる接着層、および該接着層上の金、アルミニウム、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれた金属またはそれらの少なくとも一種を含有する合金からなるボンディングパッド層の３層構造を有する正極を備えたフリップチップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に設けられているフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、該正極が該ｐ型半導体層に接するロジウムからなるオーミック電極層、該オーミック電極層上の厚さ１０Å以上のチタンからなる接着層、および該接着層上の金、アルミニウム、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれた金属またはそれらの少なくとも一種を含有する合金からなるボンディングパッド層の３層構造を有することを特徴とするフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
接着層の厚さが５００Å以上３０００Å以下であることを特徴とする請求項１記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
接着層の厚さが１０００Å以上であることを特徴とする請求項２記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
オーミック電極層の厚さが１００Å以上３０００Å以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
オーミック電極層の厚さが５００Å以上２０００Å以下であることを特徴とする請求項４記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
ボンディングパッド層の厚さが１０００Å以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
ボンディングパッド層の厚さが３０００Å以上５０００Å以下であることを特徴とする請求項６記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
ボンディングパッド層が金であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項９】
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の正極であって、ｐ型半導体層に接するロジウムからなるオーミック電極層、該オーミック電極層上の厚さ１０Å以上のチタンからなる接着層、および該接着層上の、金、アルミニウム、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれた金属またはそれらの少なくとも一種を含有する合金からなるボンディングパッド層の３層構造を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の正極。
【請求項１０】
接着層の厚さが５００Å以上３０００Å以下であることを特徴とする請求項９記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子用の正極。
【請求項１１】
接着層の厚さが１０００Å以上であることを特徴とする請求項９または１０記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の正極。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてなる発光ダイオード。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてなるランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、それを用いた発光ダイオード、およびそれを用いたランプに関し、特に高反射率でオーミック抵抗が小さい正極を備えたフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）であらわされる窒化ガリウム系化合物半導体が紫外光領域から青色あるいは緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として注目されている。このような材料の化合物半導体を使うことによって、これまで困難であった発光強度の高い紫外光、青色、緑色等の発光が可能となった。このような窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア基板上に成長されるため、ＧａＡｓ系の発光素子のように基板の裏面に電極を設けることができない。このため結晶成長した半導体層側に負極と正極の両方を形成することが必要である。
【０００３】
特に、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体素子の場合は、サファイア基板が発光波長に対して透光性を有するため、電極面を下側にしてマウントし、サファイア基板側から光を取り出す構造のフリップチップ型が注目されている。
【０００４】
図１はこのような型の発光素子の一般的なの構造例を示す概略図である。すなわち、発光素子は、基板１にバッファ層２、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５が結晶成長されて、発光層４およびｐ型半導体層５の一部がエッチング除去されてｎ型半導体層３が露出されており、ｐ型半導体層５上に正極１０、ｎ型半導体層上に負極２０が形成されている。このような発光素子は、例えばリードフレームに電極形成面を向けて装着され、次いでボンディングされる。そして、発光層４で発生した光は基板１側から取り出される。この型の発光素子においては、光を効率よく取り出すために、正極１０には反射性の金属を用いてｐ型半導体層５の大部分を覆うように設け、発光層から正極側に向かった光も正極１０で反射させて基板１側から取り出している。
【０００５】
従って、正極材料にはオーミック抵抗が低く、かつ高反射率であることが求められる。このような正極としてロジウムを用いた正極が提案されている（例えば特許文献１）。この技術は、ｐ型半導体層と接触するオーミック電極層に白金またはロジウム（Ｒｈ）を用い、その上に金（Ａｕ）からなる第２層を設け、さらにその上にチタン（Ｔｉ）またはクロムからなる第３層を設けた構造の正極に関する。これによりＲｈの高抵抗化及び最表層に設ける例えばＳｉＯ２の様な絶縁層の剥離を抑えることを目的としている。しかし、この方法ではまずＲｈとＡｕの密着性を確保することが出来ずボンディング時にＲｈとＡｕの界面での剥離が起こる可能性がある。また第３層をＴｉとした場合ＡｕボールまたはＡｕバンプとの密着性も確保できない可能性があり、ボンドプルテスト或いはシェアリングテストの高合格率は望めない。さらに成膜の最終工程をＴｉとするとＴｉのゲッタリング効果により装置の真空性能が低下する恐れがある。
【０００６】
また、ｐ型半導体層に接するオーミック電極としてのＮｉ層とボンディングメタルとしてのＡｕ層とをＴｉ層を介して積層することにより、ＮｉとＡｕの密着性が増し、Ｎｉ／Ａｕ間の剥離を防止できることは知られている（例えば特許文献２）。しかし、Ｎｉは、４７０ｎｍ付近での反射率は３０％程度と非常に低く、フリップチップ型発光素子の反射電極としては適さない。またオーミック抵抗を低くするために、Ｎｉはアニールを必要としているが、Ｒｈはアニールを必要としない。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１８３４００号公報
【特許文献２】特開平１１−５４８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｒｈを正極材料として用いようとした場合、ボンディング時に用いられる金線よりなるボールとの密着性の確保が問題となる。通常そのような場合正極の最表層にＡｕのボンディングパッドを用いることになる。しかし、ＲｈとＡｕは熱処理をせずに接着性を確保することが難しく、また熱処理をするとＡｕの拡散によりＲｈのオーミック抵抗の上昇が懸念される。本発明の課題は、ｐ型半導体層に接触するオーミック電極層として反射率の良好なＲｈを用い、かつ、Ａｕ等からなるボンディングパッド層と密着性が良好でオーミック抵抗の低い正極を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は下記の発明を提供する。
（１）基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層をこの順序で含み、負極および正極がそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層に設けられているフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、該正極が該ｐ型半導体層に接するロジウムからなるオーミック電極層、該オーミック電極層上の厚さ１０Å以上のチタンからなる接着層、および該接着層上の金、アルミニウム、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれた金属またはそれらの少なくとも一種を含有する合金からなるボンディングパッド層の３層構造を有することを特徴とするフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１０】
（２）接着層の厚さが５００Å以上３０００Å以下であることを特徴とする上記（１）記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１１】
（３）接着層の厚さが１０００Å以上であることを特徴とする上記（２）記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１２】
（４）オーミック電極層の厚さが１００Å以上３０００Å以下であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１３】
（５）オーミック電極層の厚さが５００Å以上２０００Å以下であることを特徴とする上記（４）記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１４】
（６）ボンディングパッド層の厚さが１０００Å以上であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１５】
（７）ボンディングパッド層の厚さが３０００Å以上５０００Å以下であることを特徴とする上記（６）記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１６】
（８）ボンディングパッド層が金であることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれか一項に記載のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００１７】
（９）窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の正極であって、ｐ型半導体層に接するロジウムからなるオーミック電極層、該オーミック電極層上の厚さ１０Å以上のチタンからなる接着層、および該接着層上の、金、アルミニウム、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれた金属またはそれらの少なくとも一種を含有する合金からなるボンディングパッド層の３層構造を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の正極。
【００１８】
（１０）接着層の厚さが５００Å以上３０００Å以下であることを特徴とする上記（９）記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子用の正極。
【００１９】
（１１）接着層の厚さが１０００Å以上であることを特徴とする上記（９）または（１０）記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用の正極。
【００２０】
（１２）上記１〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体フリップチップ型発光素子を用いてなる発光ダイオード。
【００２１】
（１３）上記１〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体フリップチップ型発光素子を用いてなるランプ。
【発明の効果】
【００２２】
Ｒｈオーミック電極層とＡｕ等のボンディングパッド層の間にＴｉ接着層を介在させることを骨子とする本発明によれば、熱処理をせずにボンディング時の電極剥がれを防ぐことを可能とする。従って、本発明によれば、良好なオーミック特性、ボンディング特性および発光出力が得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
【００２３】
また、Ｔｉ接着層の厚さを１０００Å以上とすることによって、電極形成プロセス時のリフトオフ性が良好となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明における基板上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体としては、図１に示したような、基板１にバッファ層２、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５が結晶成長されている従来公知のものが何ら制限無く用いることができる。
【００２５】
その一例を説明すると、図２に示したような、サファイア基板１上にＡｌＮ層からなるバッファ層２を積層し、その上にｎ型ＧａＮ層からなるコンタクト層３ａ、ｎ型ＧａＮ層からなる下部クラッド層３ｂ、ＩｎＧａＮ層からなる発光層４、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる上部クラッド層５ｂ、およびｐ型ＧａＮ層からなるコンタクト層５ａを順次積層したものを用いることができる。
【００２６】
このような窒化ガリウム系化合物半導体のコンタクト層５ａ、上部クラッド層５ｂ、発光層４、および下部クラッド層３ｂの一部をエッチングにより除去してコンタクト層３ａ上に負極２０を設ける。負極としては、チタン、アルミニウム、またはクロム等従来公知のものを何ら制限無く用いることができる。
【００２７】
コンタクト層５ａ上に、ロジウム（Ｒｈ）からなるオーミック電極層１１、チタン（Ｔｉ）からなる接着層１２、金（Ａｕ）等からなるボンディングパッド層１３の３層構造の本発明に係わる正極１０を設ける。ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層上に形成するオーミック電極層をＲｈとすることにより、発光層からの光を効率よく反射する反射層として機能し、サファイア基板側から効率よく光を取り出すことが出来る。Ｒｈオーミック電極層とＡｕ等のボンディングパッド層との間に、接着層としてＴｉ層を設けることにより、積層後にアロイング熱処理を行わなくてもボンディング時に電極剥がれを引き起こすことがない。
【００２８】
Ｒｈからなるオーミック電極層は、反射効率を上げるために、コンタクト層５ａをほとんど覆うようにして、なるべく面積を大きくすることが好ましい。Ｒｈの厚さは１００〜３０００Åが好ましい。特に５００〜３０００Åとすると良好な反射特性が得られ好ましい。またＲｈは高価な材料である為、５００〜２０００Åとすることで良好な反射特性を保ちつつ製造コストが抑えられ、より好ましい。
【００２９】
Ｔｉからなる接着層の厚みは１０Å以上が好ましく、さらに好ましくは５００Å以上３０００Å以下であり、特に好ましくは１０００〜３０００Åである。Ｔｉからなる接着層の厚みを１０００Å以上にすると、電極形成プロセス時のリフトオフ性が良好となりより望ましい。特にリフトオフプロセスにおいてＲｈやＡｕの様な比較的柔らかい金属の積層膜の場合、リフトオフによる剥離部分との境界が、バリの発生により不均一になることがあり、リーク不良などの不良を引き起こす原因となる。そのような場合Ｔｉの様に硬い金属膜をある程度の量積層することによりバリの発生を抑えることが出来る。但し３０００Å以上では成膜時間が長時間となり、プロセス上好ましくない。
【００３０】
ボンディングパッド層は、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕからなる群から選ばれた金属またはそれらの少なくとも１種を含有する合金から構成することができる。Ａｕまたはそれを含む合金が好ましい。ボンディングパッド層の厚みは１０００〜１００００Åが好ましい。ボンディングパッド層の特性上厚い方が効果が得られるが、製造コストの観点からボンディングパッドとしての効果が得られる３０００〜５０００Åの厚さとすることがさらに好ましい。
【００３１】
また、ボンディングパッド層はオーミック電極層と同じ大きさであってもよいし、その一部に設けてもよい。ボンディングパッド層をオーミック電極層の一部に設ける場合は、接着層は通常ボンディングパッド層と同じ大きさにする。オーミック電極層と同じ大きさにした場合、マウント時のサブマウントのバンプ形成位置の設計レイアウトの自由度が増す。また、オーミック電極層の全面を覆うことでさらに密着性が強化されることが期待できる。
【００３２】
本発明に用いる窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）およびＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることが知られている全ての方法が適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。また、ドーパントとしてｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）またはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ4）を用い、ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いる。これらの原料を用い、従来公知の適当な条件で成長させればよい。
【００３３】
正極を構成する各金属の積層方法も特に限定されず、通常の抵抗加熱蒸着法の他、電子線加熱蒸着法およびスパッタリング法等従来公知の方法が何ら制限なく使用することができる。全ての層を同一の方法で積層させてもよいし、最初の層を積層させた時点でいったん装置から取り出し、別の方法によって次の層を積層させてもよい。
【実施例１】
【００３４】
以下に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
【００３５】
本実施例で製造した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面図を図２に示す。
用いた窒化ガリウム系化合物半導体は、サファイア基板１上にＡｌＮ層からなるバッファ層２を積層し、その上にｎ型ＧａＮ層からなるコンタクト層３ａ、ｎ型ＧａＮ層からなる下部クラッド層３ｂ、ＩｎＧａＮ層からなる発光層４、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる上部クラッド層５ｂ、およびｐ型ＧａＮ層からなるコンタクト層５ａを順次積層したものである。コンタクト層３ａはＳｉを７×１０18／ｃｍ3ドープしたｎ型ＧａＮ層であり、下部クラッド層３ｂはＳｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたｎ型ＧａＮ層であり、発光層４の構造は単一量子井戸構造で、ＩｎＧａＮの組成はＩｎ0.95Ｇａ0.05Ｎである。上部クラッド層５ｂはＭｇを１×１０18／ｃｍ3ドープしたｐ型のＡｌＧａＮでその組成はＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎである。コンタクト層５ａはＭｇを５×１０19／ｃｍ3ドープしたｐ型のＧａＮ層である。これらの層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
【００３６】
この窒化ガリウム系化合物半導体のコンタクト層５ａに正極を、コンタクト層３ａに負極をそれぞれ以下の手順で設けて発光素子を作製した。
【００３７】
（１）まず、始めにエッチングマスクをコンタクト層５ａ上に形成した。形成手順は以下の通りとした。レジストを一様に塗布して公知のリソグラフィー技術によりエッチングしたい領域を除去した。
【００３８】
このエッチングマスクは、コンタクト層５ａを反応性イオンドライエッチングのプラズマダメージから保護するための層でもある。
【００３９】
（２）次に反応性イオンドライエッチングにて、ｎ型ＧａＮ層のコンタクト層３ａが露出するまでエッチングを施した後、ドライエッチング装置より取り出し、該形成されたレジスト膜をアセトンにより除去した。このドライエッチングは後段で作製する発光半導体素子の負極を形成するための処理である。
【００４０】
（３）その後、レジストを再び一様に塗布して、コンタクト層５ａ上の一部にフォトリソグラフィーによりオーミック電極層形成領域の窓を開け、蒸着法によりＲｈをエレクトロンビームを用いて膜厚が２０００Åとなるように積層した。その後リフトオフ技術により正極以外の領域をレジストと共に除去した。
【００４１】
これらの工程で形成されたＲｈオーミック電極層は、波長４６０ｎｍの光による基板側を入光面とした場合の反射率が大凡６５％以上であった。また円形ＴＬＭ法による接触比抵抗の測定において、２〜３×１０-3Ωｃｍ2を示した。
【００４２】
（４）次に、レジストを再び一様に塗布した後、オーミック電極層部分に接着層およびボンディングパッド層を形成するために、公知フォトリソグラフィー技術をもちいて正極領域の一部に窓を開け、蒸着法により、Ｔｉ層およびＡｕ層をそれぞれエレクトロンビーム蒸着及び抵抗加熱にて形成した。その際の膜厚はＴｉ接着層が１０００ÅおよびＡｕボンディングパッド層が２０００Åとした。その後リフトオフ技術によりボンディングパッド層以外の領域をレジストと共に除去した。
このリフトオフ工程において、リフトオフ不良を起因とした電極剥がれや剥離不足、形状不良等による歩留まりの低下を起こすことなく安定したプロセスを維持することができた。
【００４３】
（５）次に、レジストを再び一様に塗布した後、前述の反応性イオンドライエッチングによりｎ型ＧａＮコントラクト層３ａまで露出した領域上に、公知フォトリソグラフィー技術を用いて負極領域の窓を開け、上述した蒸着法により、ＴｉおよびＡｕをそれぞれエレクトロンビーム蒸着及び抵抗加熱にて形成した。その際の膜厚はそれぞれ１０００Åおよび３０００Åとした。その後リフトオフ技術により負極以外の領域をレジストと共に除去し、負極を形成した。この電極は最表層にＡｕを用いることでボンディングパッドとして機能する。
【００４４】
上記方法で作製した発光半導体素子を切断し、サブマウント上にフリップチップマウントし、さらにＴＯ−１８ステム上にマウント、結線して発光素子とした。
作製された発光素子は電流２０ｍＡにおける発光出力が６ｍＷ、順方向電圧が３．４Ｖを示した。
【００４５】
また、上記方法で作製した発光素子について電極の密着性を評価するために、Ａｕボンディングパッド上に太さ２５μｍのＡｕワイヤーにより、ワイヤーボンディング時のボールサイズが直径１００〜１１０μｍとなる様に調整してボンディングした後、引っ張り加重５５ｇのボンドプルテストを実施した結果、１０％以下の不良率であった。
【００４６】
また本実施例ではボンディングパッド層１３をＡｕで形成したが、この他にＡｌ、ＮｉまたはＣｕで形成してもよい。但しこの場合、実装上の問題から、負極ボンディングパッドの最表層も正極ボンディングパッド層と同じ金属で形成することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によって提供されるフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光ダイオードおよびランプ等の材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来のフリップチップ型化合物半導体発光素子の一般的な構造を示す概略図である。
【図２】本発明のフリップチップ型窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    基板
２    バッファ層
３    ｎ型半導体層
４    発光層
５    ｐ型半導体層
１０    正極
１１    オーミック電極層
１２    接着層
１３    ボンディングパッド層
２０    負極
【図１】
2005142544.tif 000003
【図２】
2005142544.tif 000004