(57)【要約】【課題】実施形態は、基板と接合金属層との間の歪を低減した半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光装置は、凹部が設けられた表面を有する基板と、前記基板の前記表面上に設けられた発光体と、前記発光体と前記基板との間において前記表面を覆い、前記凹部の内面に接する第１金属層と、を備える。前記発光体は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部が設けられた表面を有する基板と、
前記基板の前記表面上に設けられ、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する発光体と、
前記発光体と前記基板との間において前記表面を覆い、前記凹部の内面に接する第１金属層と、
を備えた半導体発光装置。
【請求項２】
前記凹部の平均深さは、０．０１マイクロメートル以上、２マイクロメートル以下である請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第１金属層と前記発光体との間に、前記第１金属層の材料よりも融点が低い材料を含む第２金属層をさらに備えた請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１金属層と前記発光体との間において、前記第１半導体層もしくは前記第２半導体層に接し、前記発光層の放射光を反射する材料を含む電極をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
粗面化された表面を有する基板と、
前記基板の前記表面上に設けられ、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する発光体と、
前記発光体と前記基板との間において前記表面を覆い、前記表面に接する金属層と、
を備えた半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光層を含む半導体を第１の基板上に形成し、その後、この半導体を第１の基板とは別の第２の基板上に移載して形成される半導体発光装置がある。半導体層と第２の基板とは、例えば、金属層を介して接合される。しかしながら、異なる材料からなる積層構造は、その内部に歪を含み、半導体発光装置の信頼性を低下させることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７６０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、基板と接合金属層との間の歪を低減した半導体発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体発光装置は、凹部が設けられた表面を有する基板と、前記基板の前記表面上に設けられた発光体と、前記発光体と前記基板との間において前記表面を覆い、前記凹部の内面に接する第１金属層と、を備える。前記発光体は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態に係る半導体発光装置を表す模式断面図である。
【図２】第１実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を表す模式断面図である。
【図３】図２に続く製造過程を表す模式断面図である。
【図４】図３に続く製造過程を表す模式断面図である。
【図５】図４に続く製造過程を表す模式断面図である。
【図６】第１実施形態に係る基板の表面を表す模式図である。
【図７】第２実施形態に係る半導体発光装置を表す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【０００８】
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
【０００９】
各実施形態の記載は例示であり、発明をそれに限定するものではない。また、各実施例を構成する要素は、技術的に可能であれば、共通に適用されるものである。
【００１０】
［第１実施形態］  
図１は、第１実施形態に係る半導体発光装置１を表す模式断面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）中に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１（ｂ）は、上面図である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、半導体発光装置１は、基板１０と、発光体２０と、を含む。発光体２０は、基板１０の上に設けられる。
【００１２】
基板１０は、例えば、導電性を有するシリコン基板である。基板１０は、その表面１０ａに凹部１０ｒを有する。凹部１０ｒは、その平均深さが０．０１マイクロメートル（μｍ）以上、２μｍ以下となるように設けられる。
【００１３】
発光体２０は、第１半導体層（以下、ｎ形半導体層２１）と、発光層２３と、第２半導体層（ｐ形半導体層２５）と、を含む。発光層２３は、ｎ形半導体層２１とｐ形半導体層２５との間に設けられる。発光体２０の上面２０ａは、光取り出し効率を向上させるために粗面化される。
【００１４】
半導体発光装置１は、基板１０と発光体２０との間に、金属層３０と、金属層４０と、金属層５０と、を備える。金属層３０は、基板１０の表面１０ａおよび凹部１０ｒの内面を覆い、凹部１０ｒの内面に接するように設けられる。すなわち、金属層３０は、凹部１０ｒを埋め込んだ部分を含む。金属層４０は、金属層３０の上に設けられる。金属層５０は、金属層４０と発光体２０との間に設けられる。
【００１５】
金属層３０および５０は、例えば、チタニウム（Ｔｉ）、窒化チタニウム（ＴｉＮ）、白金（Ｐｔ）、もしくはニッケル（Ｎｉ）などを含む。金属層４０は、金属層３０および５０よりも融点が低い材料を含む。金属層４０は、例えば、ハンダ材などの接合金属を含む。金属層３０および５０は、金属層４０に含まれる金属原子の拡散を抑制するバリアメタルとして機能する。
【００１６】
半導体発光装置１は、ｐ側電極６０と、ボンディングパッド６５と、ｎ側電極７０と、をさらに備える。ｐ側電極６０は、発光体２０と金属層５０との間に設けられる。
【００１７】
ｐ側電極６０は、コンタクト層６１と、キャップ層６３と、を含む。コンタクト層６１は、ｐ形半導体層２５に接し、ｐ形半導体層２５に電気的接続される。キャップ層６３は、ｐ形半導体層２５上において、コンタクト層６１を覆う。コンタクト層６１およびキャップ層６３は、発光層２３から放射される光を反射する材料、例えば、銀またはアルミニウムを含む。
【００１８】
キャップ層６３は、金属層５０の表面に沿って、発光体２０の外側に延出する部分（延出部６３ｅ）を含む。ボンディングパッド６５は、延出部６３ｅの上に設けられる。ボンディングパッド６５は、例えば、金属ワイヤを介してｐ側電極６０を外部回路に接続する。
【００１９】
ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２１の上に設けられ、ｎ形半導体層２１に電気的に接続される。ｎ側電極７０は、例えば、ボンディングパッドとしても機能する。
【００２０】
半導体発光装置１は、金属層１５と、パッシベーション膜２７と、をさらに備える。金属層１５は、基板１０の裏面１０ｂに接し、電気的に接続される。金属層１５は、半導体発光装置１を、例えば、実装基板にマウントする際に、ハンダ材などに接続される。これにより、発光体２０で発生するジュール熱を効率良く放散させることができる。パッシベーション膜２７は、発光体２０の側面を覆い、発光層２３の端面を保護する。パッシベーション膜２７は、例えば、シリコン酸化膜である。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、半導体発光装置１は、例えば、四角形の外形を有する。発光体２０の周りにはダイシングラインＤＬが設けられる。ダイシングラインＤＬには、金属層５０が露出する。また、コンタクト層６１は、Ｘ−Ｙ平面内においてキャップ層６３の内側に位置する。
【００２２】
次に、図２（ａ）〜図５（ｂ）を参照して、第１実施形態に係る半導体発光装置１の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図５（ｂ）は、半導体発光装置１の製造過程を順に表す模式断面図である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、基板１００の上にｎ形半導体層２１、発光層２３およびｐ形半導体層２５を順にエピタキシャル成長する。基板１００は、例えば、シリコン基板である。ｎ形半導体層２１、発光層２３およびｐ形半導体層２５は、例えば、有機金属を原料とするＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて形成される。
【００２４】
ｎ形半導体層２１は、例えば、ｎ形窒化ガリウム層（ＧａＮ層）を含む。また、ｎ形半導体層２１は、ＧａＮ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などを含むバッファ層をさらに含んでも良い。バッファ層は、基板１００とｎ形ＧａＮ層の間に設けられる。
【００２５】
発光層２３は、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる井戸層と、ＧａＮからなる障壁層と、により構成される量子井戸を含む。また、発光層２３は、複数の量子井戸を含む多重量子井戸構造を有しても良い。
【００２６】
ｐ形半導体層２５は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層とｐ形ＧａＮ層とを積層した構造を有する。ｐ形ＡｌＧａＮ層は、発光層２３の上に形成され、ｐ形ＧａＮ層は、ｐ形ＡｌＧａＮ層の上に形成される。
【００２７】
さらに、ｐ形半導体層２５の上にｐ側電極６０を形成する。ｐ側電極６０は、コンタクト層６１とキャップ層６３を含む。コンタクト層６１は、ｐ形半導体層２５の上に選択的に形成される。コンタクト層６１は、例えば、銀を含む金属層である。ここで、「選択的に形成」とは、ｐ形半導体層２５の全面ではなく、所定の領域を覆うように形成することを言う。例えば、ｐ形半導体層２５の全面に形成された金属層をフォトリソグラフィを用いて所定の形状にパターニングする。
【００２８】
キャップ層６３は、ｐ形半導体層２５の上に選択的に形成され、コンタクト層６１を覆う。キャップ層６３は、例えば、コンタクト層６１に接する銀層を含む。また、キャップ層６３は、例えば、コンタクト層６１側から白金（Ｐｔ）と、チタニウム（Ｔｉ）と、金（Ａｕ）と、を順に含む積層構造を有しても良い。銀および白金は、発光層２３から放射される光に対して高い反射率を有する。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、ｐ形半導体層２５の上に金属層４０ａおよび５０を形成する。金属層５０は、ｐ形半導体層２５の表面およびｐ側電極６０を覆う。金属層４０ａは、金属層５０の上に設けられる。
【００３０】
金属層５０は、例えば、チタニウム（Ｔｉ）、窒化チタニウム（ＴｉＮ）、白金（Ｐｔ）、およびニッケル（Ｎｉ）の少なくとも１つを含み、スパッタ法を用いて形成される。金属層４０ａは、例えば、ニッケル錫（ＮｉＳｎ）もしくは金錫（ＡｕＳｎ）などのハンダ材を含み、真空蒸着法を用いて形成される。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、基板１０と基板１００とを対向させて配置する。基板１０および１００は、それぞれの上に形成された金属層４０ａと金属層４０ｂとを対向させて配置される。
【００３２】
基板１０は、その表面１０ａに凹部１０ｒを含む。凹部１０ｒは、例えば、表面１０ａを選択的にエッチングすることにより形成される。このエッチングには、例えば、フォトリソグラフィを用いて形成されたレジストマスクを用いる。凹部１０ｒは、好ましくは、平均深さが０．０１μｍ以上、２μｍ以下となるように形成される。さらに好ましくは、０．０１μｍ以上、１μｍ以下となるように形成される。
【００３３】
さらに、金属層３０および４０ｂは、表面１０ａ上に形成される。金属層３０は、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＰｔおよびＮｉの少なくとも１つを含む。金属層３０は、例えば、スパッタ法を用いて凹部１０ｒの内部を埋め込むように形成される。
【００３４】
金属層３０は、基板１０の表面１０ａおよび凹部１０ｒを覆い、金属層４０ｂは、金属層３０を覆うように形成される。金属層４０ｂは、例えば、ＮｉＳｎもしくはＡｕＳｎなどのハンダ材を含み、真空蒸着法を用いて形成される。
【００３５】
図３（ｂ）に示すように、基板１０と基板１００とを接合する。例えば、金属層４０ａと金属層４０ｂとを接触させ状態で、ハンダ材の融点よりも高い温度に昇温する。これにより、金属層４０ａおよび４０ｂは溶融し、金属層４０に一体化される。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、基板１００をｎ形半導体層２１の表面から除去する。基板１００は、例えば、研削により薄層化された後、ウェットエッチングを用いて除去される。なお、図４（ａ）は、図３（ｂ）の上下を逆に表している（同図中のＸＹＺ軸を参照）。
【００３７】
図４（ｂ）に示すように、ｎ形半導体層２１の表面２１ａを粗面化する。例えば、アルカリ溶液を用いて、ｎ形半導体層２１をウェットエッチングする。このエッチング過程では、ｎ形半導体層２１のエッチング速度がその結晶面に依存するエッチング液を用いる。これにより、表面２１ａにエッチング速度が他よりも遅い結晶面を露出させることができる。その結果、ｎ形半導体層２１の表面２１ａに凹凸が形成され、粗面化される。
【００３８】
図５（ａ）に示すように、ｎ形半導体層２１、発光層２３、ｐ形半導体層２５を選択的に除去し、発光体２０を形成する。発光体２０は、例えば、熱リン酸を用いてウェットエッチングすることができる。発光体２０の周りには、キャップ層６３の延出部６３ｅおよび金属層５０が露出する。
【００３９】
図５（ｂ）に示すように、パッシベーション膜２７、ボンディングパッド６５およびｎ側電極を形成する。例えば、プラズマＣＶＤを用いて形成されるシリコン酸化膜により発光体２０、金属層５０および延出部６３ｅを覆う。続いて、シリコン酸化膜を選択的に除去し、発光体２０の上面２０ａおよび延出部６３ｅ上に開口を形成する。また、ダイシングラインＤＬを形成する。
【００４０】
続いて、ボンディングパッド６５と、ｎ側電極７０と、を形成する。ボンディングパッド６５は、延出部６３ｅの上に形成される。ｎ側電極７０は、発光体２０の上に選択的に形成され、上面２０ａに接する。ボンディングパッド６５およびｎ側電極７０には、例えば、真空蒸着法を用いて形成されるアルミニウム層を用いることができる。また、ボンディングパッド６５およびｎ側電極７０は、同時に形成することができる。さらに、基板１０の裏面に金属層１５を形成して半導体発光装置１を完成させる。
【００４１】
図６は、実施形態に係る基板１０の表面を表す模式図である。図６（ａ）は、基板１０の上面を表す平面図であり、図６（ｂ）は、基板１０の断面図である。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、基板１０の表面には、複数の凸部１０ｐが設けられる。凹部１０ｒは、複数の凸部１０ｐの間に設けられる。凸部１０ｐは、基板１０の表面１０ａにおいて様々な形状を有することが可能である。例えば、Ａ１〜Ａ３に示すように、三角形もしくは四角形の形状を有しても良い。また、Ｂ１〜Ｂ３に示すように、円または楕円であっても良い。さらに、Ｃ１〜Ｃ３に示すように、千鳥状に配置されても良い。
【００４３】
図６（ｂ）に示すように、凸部１０ｐの高さは、０．０１μｍ〜２μｍである。言い換えれば、凹部１０ｒの平均深さは、０．０１μｍ〜２μｍである。また、例えば、Ｘ方向における凸部１０ｐの配置の周期は、０．１〜１００μｍである。そして、Ｘ方向における凸部１０ｐの幅Ｗｐは、好ましくは、Ｘ方向における凹部１０ｒの幅Ｗｒよりも広い。
【００４４】
本実施形態では、基板１０の表面１０ａに凹部１０ｒを形成し、金属層３０は、凹部１０ｒを埋め込むように形成される。これにより、基板１０と金属層３０との間の応力を緩和し、密着性を向上させることができる。
【００４５】
例えば、シリコン基板とその上に形成される金属層との間では、その界面に金属シリサイドを形成することにより密着性を向上させることができる。しかしながら、金属シリサイドを形成することにより、シリコン基板と金属層との間にさらなる応力が付加される。これに対し、本実施形態では、好ましくは、基板１０と金属層３０との間に金属シリサイドを形成しない。したがって、金属シリサイドに起因する応力を発生させず、基板１０と金属層３０との間の密着性を向上させることができる。また、金属シリサイドを形成する工程を省略することにより、製造コストを低減することもできる。
【００４６】
［第２実施形態］  
図７は、第２実施形態に係る半導体発光装置２を表す模式断面図である。図７に示すように、半導体発光装置２は、発光体２０と、基板１１０と、を備える。発光体２０は、金属層３０、４０および５０を介して基板１１０の上に設けられる。
【００４７】
基板１１０は、粗面化された表面１１０ａを有する。表面１１０ａは、複数の凹部１０ｓを含む。凹部１０ｓの深さは、例えば、０．０１μｍ以上、２μｍ以下である。金属層３０は、表面１１０ａの上に形成され、凹部１０ｓの内部を埋め込む。
【００４８】
基板１１０は、例えば、インゴットから切り出された状態の表面、所謂、as sliceの表面を有する。また、基板１１０は、例えば、平均粒径１６μｍ（ＪＩＳ＃１０００）の酸化アルミニウムを用いて研磨された表面を有する。
【００４９】
本実施形態においても、基板１１０上に金属層３０を形成し、凹部１０ｓを埋め込む。これにより、金属層３０と基板１１０との間の応力を緩和し、密着性を向上させることができる。また、鏡面加工をしない基板を用いることにより、製造コストを低減することもできる。
【００５０】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。また、上記の組成を有し、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１、２…半導体発光装置、  １０、１００、１１０…基板、  １０ａ、２１ａ、１１０ａ…表面、  １０ｂ…裏面、  １０ｐ…凸部、  １０ｒ、１０ｓ…凹部、  １５、３０、４０、４０ａ、４０ｂ、５０…金属層、  ２０…発光体、  ２０ａ…上面、  ２１…ｎ形半導体層、  ２３…発光層、  ２５…ｐ形半導体層、  ２７…パッシベーション膜、  ６０…ｐ側電極、  ６１…コンタクト層、  ６３…キャップ層、  ６３ｅ…延出部、  ６５…ボンディングパッド、  ７０…ｎ側電極、  ＤＬ…ダイシングライン
【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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