(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ−ＧａＮ基板上に窒化物系半導体多層膜からなる発光素子を有し、該発光素子の基板側をマウント面に固定した窒化物系半導体発光装置において、
前記発光素子の基板側の全面を前記マウント面に固定し、
前記マウント面は、ＬＥＤランプのリードフレームのカップ面、表面実装型ＬＥＤの液晶ポリマーやガラスエポキシ樹脂からなる基板面、ＬＤのヒートシンク面あるいはサブマウント面、その他の発光素子を含有する半導体発光装置に設けられるマウント面であり、
窒化物系半導体多層膜とは逆の基板面に第１の金属と第２の金属を含む金属層、第２の金属を含む金属層が順次形成され、
前記第２の金属は、前記ｎ−ＧａＮ基板に接触するとともに、前記ｎ−ＧａＮ基板に対するオーミック電極であり、
前記第１の金属は、Ｈｆ、Ｚｒのいずれか１つであり、
前記第２の金属を含む金属層が前記マウント面側に位置し、前記第２の金属を含む金属層と前記マウント面とが、Ａｇペーストまたはハンダ材により電気的な接続を行なうように固着されていることを特徴とする、窒化物系半導体発光装置。
【請求項２】
前記第２の金属は、Ａｌ、Ａｇのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光装置。
【請求項３】
前記発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の窒化物系半導体発光装置。
【請求項４】
請求項１から３の窒化物系半導体発光装置の製造方法であって、窒化物半導体多層膜とは逆の基板面に第１の金属と第２の金属を同時に形成し、その後、第２の金属からなるオーミック電極を形成することを特徴とする窒化物系半導体発光装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１から３の窒化物系半導体発光装置の製造方法であって、窒化物半導体多層膜とは逆の基板面に第１の金属、第２の金属からなる膜を順に形成し、熱処理を行うことによって、第１の金属と第２の金属を含む金属膜を形成することを特徴とする窒化物系半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系半導体はフルカラーディスプレイ等で既に利用されている高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として用いられており、また、さらなる光ディスクの記憶容量の増大のため、短波長光源用の半導体レーザとして開発が進められている。これらのデバイスは、従来、絶縁性のサファイア基坂上に形成されており、基板裏面から導通をとることができないため、表面側にｐ型電極、ｎ型電極が形成され、複雑な電極形成プロセスを必要とした。
【０００３】
最近、サファイア基板表面上にマスク材を部分的に形成して成長を行う選択横方成長方法により、ハイドライド気相成長法で良質なｎ−ＧａＮバルク結晶の作製がなされ、このバルク結晶を基板として基板裏面から導通をとることが可能な半導体レーザ、ＬＥＤを形成した例などが報告されている。
【０００４】
窒化物系化合物半導体からなるＬＥＤチップを発光素子とする半導体発光装置の断面図を図6について示す。
【０００５】
ＬＥＤチップは、ｎ−ＧａＮ基板６０１の（０００１）ｃ面上に窒化物系化合物半導体多層膜６０２が形成されている。窒化物系化合物半導体多層膜６０２は、バッファ層、ｎ−ＧａＮクラッド層、多重量子井戸活性層、ｐ−ＡｌＧａＮ保護層、ｐ−ＧａＮコンタクト層が順に積層形成されたものである。さらに、該窒化物系化合物半導体多層膜６０２の最表面には、ｐ型透光性電極６０３、Ｐパッド電極６０４が形成され、該ｎ−ＧａＮ基板６０１裏面には、ＴｉとＡｌの積層からなるｎ型電極６０５が形成されたもので、チップサイズは３５０μｍ角とする。
【０００６】
上記ＬＥＤチップをリードフレーム６０７のカップ６０８上にＡｇペ−スト６０６にて固着し、Ｐパッド電極６０４とワイヤー６０９、ｎ型電極６０５とＡｇペースト６０６を介してＬＥＤチップとリードフレーム６０７との電気的な接続を行う。その後、ＬＥＤチップを搭載したリードフレーム６０７とワイヤー６０９をモールド樹脂６１０にて封止し、半導体発光装置を形成される。この半導体発光装置の特性は、室温、２０ｍＡ通電時に発光輝度が３．０Ｃｄ、動作電圧は３．５Ｖであった。なお、以下において発光輝度、動作電圧は、全て室温、２０ｍＡ通電時の値とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の半導体発光装置を１００個用意し、定電流３０ｍＡ駆動で大気通電試験を行った。試験投入から５０００ｈｒ経過した時点で、半導体発光装置を試験から取り出して、動作電圧を測定したところ、試験投入前の動作電圧に対する変化率は、＋２０％であった。変化率とは、試験投入前の動作電圧に対する電圧変化分を試験投入前の動作電圧で割った値を１００倍した値と定義する。電圧増加の場合は＋の値として、電圧低下の場合は−の値とする。上記試験にかけたランプを解体して、解析を行ったところ、カップに対して接着されていたチップのｎ型電極が剥離しかかっており、さらに試験と詳細な評価を行ったところ、カップ面からの熱歪によりｎ型電極に剥離が発生したことが分かった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の窒化物系半導体発光装置は、ｎ−ＧａＮ基板上に窒化物系半導体多層膜からなる発光素子を有し、該発光素子の基板側をマウント面に固定した窒化物系半導体発光装置において、前記発光素子の基板側の全面を前記マウント面に固定し、前記マウント面は、ＬＥＤランプのリードフレームのカップ面、表面実装型ＬＥＤの液晶ポリマーやガラスエポキシ樹脂からなる基板面、ＬＤのヒートシンク面あるいはサブマウント面、その他の発光素子を含有する半導体発光装置に設けられるマウント面であり、窒化物系半導体多層膜とは逆の基板面に第１の金属と第２の金属を含む金属層、第２の金属を含む金属層が順次形成され、前記第２の金属は、前記ｎ−ＧａＮ基板に接触するとともに、前記ｎ−ＧａＮ基板に対するオーミック電極であり、前記第１の金属は、Ｈｆ、Ｚｒのいずれか１つであり、前記第２の金属を含む金属層が前記マウント面側に位置し、前記第２の金属を含む金属層と前記マウント面とが、Ａｇペーストまたはハンダ材により電気的な接続を行なうように固着されていることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本願の窒化物系半導体発光装置において、前記第２の金属は、Ａｌ、Ａｇのいずれか１つであることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本願の窒化物系半導体発光装置において、前記発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする。
【００１１】
本願の窒化物系半導体発光装置の製造方法は、窒化物半導体多層膜とは逆の基板面に第１の金属と第２の金属を同時に形成し、その後、第２の金属からなるオーミック電極を形成することを特徴とする。
【００１２】
本願の窒化物系半導体発光装置の製造方法は、窒化物半導体多層膜とは逆の基板面に第１の金属、第２の金属からなる膜を順に形成し、熱処理を行うことによって、第１の金属と第２の金属を含む金属膜を形成することを特徴とする。
【００１３】
本願において、第２の金属は、ｎ−ＧａＮ基板結晶とオーミック性がとりやすい物質からなるが、マウント面からの熱歪のため、単独では密着性が不十分で信頼性の低下を招く。そこで、ｎ−ＧａＮ基板結晶との界面付近で第２の金属中に第１の金属を含有させることでｎ−ＧａＮ基板と第２の金属との反応性を高め、密着性を向上させることができる。形成される第１の金属と第２の金属を含む金属層の膜厚は、密着性の確保のために１０ｎｍ以上、オーミック性保持のためには２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
なお、マウント面とは、ＬＥＤランプのリードフレームのカップ面、表面実装型ＬＥＤの液晶ポリマーやガラスエポキシ樹脂からなる基板面、ＬＤのヒートシンク面あるいはサブマウント面等、発光素子を含有する半導体発光装置のマウント面である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
ｎ−ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体多層膜が形成されてなるＬＥＤチップを発光素子とする半導体発光装置の実施形態１を図１を用いて説明する。
【００１６】
ＬＥＤチップは、ｎ−ＧａＮ基板１０１の（０００１）ｃ面上に窒化物系化合物半導体多層膜１０２が形成されている。窒化物系化合物半導体多層膜１０２は、バッファ層、ｎ−ＧａＮクラッド層、多重量子井戸活性層、ｐ−ＡｌＧａＮ保護層、ｐ−ＧａＮコンタクト層が順に積層形成されたものである。さらに、該窒化物系化合物半導体多層膜１０２の最表面にｐ型電極１０３、Ｐパッド電極１０４が、基板裏面にはｎ型電極が形成されたもので、チップサイズは３５０μｍ角とする。
【００１７】
ｎ型電極は、第１の金属と第２の金属を含む金属層１０５上に第２の金属からなるオーミック電極１０６が形成された構成からなる。該金属層１０５中に含まれる第２の金属は、ｎ−ＧａＮ基板１０１と接触している。ここでは、第１の金属としてＨｆ、第２の金属としてＡｌを用いた例を示し、以下にｎ型電極の形成方法について説明する。
【００１８】
まず、Ｈｆ層（５ｎｍ）、Ａｌ層（１５０ｎｍ）を、電子ビーム蒸着法やスパッタ蒸着法などで順番に積層形成し、その後、真空中において５００℃で３分の熱処理を行ない、ｎ−ＧａＮ基板１０１との界面付近でＨｆとＡｌを含む金属層１０５を形成した。形成された金属層１０５はおよそ１０ｎｍであり、Ｈｆ、Ａｌはｎ−ＧａＮ基板１０１に混在して接触していた。Ａｌのみが存在しているおよそ１４５ｎｍがオーミック電極１０６となる。しかしながら、金属層１０５とオーミック電極１０６の界面は、個別に形成した層からお互いの層への混入となるので、明確な界面が形成されるわけではない。ｎ−ＧａＮ基板に対しては、Ａｌのみがオーミック電極になるので、Ａｌとｎ−ＧａＮ基板１０１は接触していないといけないが、同時にＡｌとｎ−ＧａＮ基板１０１との密着性が強固でないといけないので、ＡｌがＨｆを介してｎ−ＧａＮ基板１０１と密着している部分が必要である。
【００１９】
Ｈｆ層の厚さは、熱処理時にＡｌをｎ−ＧａＮ基板１０１に到達させて、オーミック性を確保するために、１０ｎｍ以下にすることが必要で、また、Ａｌのオーミック電極１０６とｎ−ＧａＮ基板１０１との密着性を向上させるために、５ｎｍ以上にすることが必要である。
【００２０】
上記ＬＥＤチップは、Ａｇペースト１０７によりリードフレーム１０８のカップ１０９上に固着し、Ｐパッド電極１０４とワイヤー１１０、ｎ型電極とＡｇペースト１０７を介してＬＥＤチップとリ一ドフレーム１０８との電気的な接続を行う。その後、ＬＥＤチップを搭載したリードフレーム１０８とワイヤー１１０をモールド樹脂１１１にて封止し、半導体発光装置を形成する。作製した半導体発光装置の特性は、発光輝度３．０Ｃｄ、動作電圧３．５Ｖであった。
【００２１】
また、上記の半導体発光装置を１００個用意し、定電流３０ｍＡ駆動で大気通電試験を行った。試験投入から５０００ｈｒ経過した時点で、半導体発光装置を試験から取り出して、動作電圧を測定したところ、試験投入前の動作電圧に対する変化率は、±５％以内であった。
（変形例）
上記実施形態１に対する変形例として第１の金属として、Ｈｆの代わりにＺｒあるいはＳｃを用いた半導体発光装置の例を示す。第１の金属が、ＺｒあるいはＳｃ、どちらの場合でも、上記実施形態１に対する変形例の半導体発光装置の特性は、動作電流２０ｍＡ時に、発光輝度が３．０Ｃｄ、動作電圧は３．５Ｖであった。また、実施形態１に対する変形例の半導体発光装置を１００個ずつ用意して、定電流３０ｍＡ駆動で動作電圧について大気通電試験を行った。５０００ｈｒ経過時点で、動作電圧の変化率は、第１の金属が、ＺｒあるいはＳｃ、どちらの場合でも、±５％以内であった。
【００２２】
表１に上記実施形態１およびその比較例、変形例の半導体発光装置の大気通電試験投入前の動作電圧、試験投入から５０００ｈｒ経過した時点での動作電圧の変化率を示す。
【００２３】
【表１】
0003772098.tif 000002
【００２４】
また、上記実施形態１およびその変形例においてオーミック電極としてＡｌ電極の代わりにＡｇ電極を用いても構わない。Ａｇ電極は、１５０ｎｍ以上であることが望ましい。
（実施形態２）
実施形態１と同じＬＥＤチップを発光素子として、マザーボードに直接実装した表面実装型の半導体発光装置の実施形態２を図２を用いて説明する。
【００２５】
２０１はｎ−ＧａＮ基板、２０２は窒化物系化合物半導体発光素子、２０３はｐ型電極、２０４はＰパッド電極、２０５は金属層、２０６はオーミック電極である。金属層２０５に含まれる第一の金属はＨｆ、第二の金属はＡｌである。
【００２６】
上記のＬＥＤチップを、ガラスエポキシ樹脂からなる基板２０７（マザーボード）の平滑上面にダイボンド電極パターン２０８とワイヤボンド電極パターン２０９とを形成し、ダイボンド電極パターン２０８上に載置したＬＥＤチップをＡｇペースト２１０によりダイボンドするとともにＬＥＤチップとワイヤボンド電極パターン２０９とをワイヤー２１１によって接続し、最後にＬＥＤチップおよびワイヤーをエポキシ樹脂２１２により封止する。
【００２７】
このようにして作製された表面実装型ＬＥＤは、発光輝度２．０Ｃｄ、動作電圧３．５Ｖが得られた。また、定電流３０ｍＡ駆動で大気通電試験を行ったところ、５０００ｈｒ経過時点で、動作電圧の変化率は±５％以内であった。
（実施形態３）
実施形態１のＬＥＤチップを発光素子として、マザーボードに直接実装した表面実装型の半導体発光装置の実施形態３の発明例の断面図を図３について示す。
【００２８】
３０１はｎ−ＧａＮ基板、３０２は窒化物系化合物半導体発光素子、３０３はｐ型電極、３０４はＰパッド電極、３０５は金属層、３０６はオーミック電極である。金属層３０５に含まれる第一の金属はＨｆ、第二の金属はＡｌである。
【００２９】
上記のＬＥＤチップを、液晶ポリマーからなるブロック状の基板３０７（マザーボード）の上面に反射カップとしての凹部３０８を設け、この凹部３０８の内周面に沿ってダイボンド電極パターン３０９とワイヤボンド電極パターン３１０と分割形成し、凹部３０８内に配置したＬＥＤチップをＡｇペースト３１１を用いて固着するとともに、ＬＥＤチップとワイヤボンド電極パターン３１０とをワイヤー３１２によって接続し、最後に凹部３０８内にエポキシ樹脂３１３を充填してＬＥＤチップおよびワイヤー３１２を封止した構造である。
【００３０】
このようにして作製された表面実装型ＬＥＤは、発光輝度２．５Ｃｄ、動作電圧３．５Ｖが得られた。
【００３１】
また、定電流３０ｍＡ駆動で大気通電試験を行ったところ、５０００ｈｒ経過時点で、動作電圧の変化率は±５％以内であった。
（実施形態４）
ｎ−ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体多層膜が形成されてなるＬＤチップを発光素子とする半導体発光装置の実施形態４の発明例の断面図を図４について示す。
【００３２】
ＬＤチップは、ｎ−ＧａＮ基板４０１の（０００１）ｃ面上にｎ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層、多重量子井戸活性層、ＡｌＧａＮ蒸発防止層、ｐ−ＧａＮ光ガイド層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＧａＮコンタクト層が順次積層されてなる窒化物系化合物半導体多層膜４０２が形成され、該窒化物系化合物半導体多層膜４０２上に電流狭窄のためのストライプ状の溝を有する絶縁膜４０３が形成され、該窒化物系化合物半導体多層膜４０２の露出している再表面および絶縁膜４０３上にｐ型電極４０４が形成され、ｎ−ＧａＮ基板４０１の裏面にはｎ型電極が形成された電流狭窄型ＬＤである。ＬＤチップの両端面はｎ−ＧａＮ基板結晶の＜１−１００＞方向に沿ってへき開により形成されている。端面には反射膜の形成はせず、ノンコートである。
【００３３】
ｎ型電極は、第１の金属と第２の金属を含む金属層４０５上に第２の金属からなるオーミック電極４０６が形成された構成からなる。該金属層４０５中に含まれる第２の金属は、ｎ−ＧａＮ基板４０１と接触している。
【００３４】
ここでは、第１の金属としてＨｆ、第２の金属としてＡｌを用いた例を示し、以下にｎ型電極の形成方法について説明する。
【００３５】
同時スパッタ蒸着法により、３００〜４００℃の基板加熱を行いながら、ＨｆとＡｌを含む金属層４０５を１０〜２０ｎｍ形成する。その後、Ａｌ層（１５０ｎｍ）を単独でスパッタ蒸着法にて形成する。その後、５００℃、３分の熱処理を行う。ＨｆとＡｌを含む金属層４０５の厚みは、Ａｌ層の密着性の確保のため、１０ｎｍ以上必要で、オーミック性保持のためには、２０ｎｍ以下であることが必要である。
【００３６】
このようなＬＤチップのｐ型電極４０４が形成されている面を上側としてステム４０７上に所定のハンダ材４０８により熱圧着でダイボンドを行う。ｐ型電極４０４とリード端子４０９をワイヤー４１０にて接続して半導体発光装置が完成する。
【００３７】
こうして形成された半導体発光装置に対して、電流光出力特性および電流電圧特性を評価したところ、室温連続発振条件で、電流しきい値が、８０ｍＡ、スロープ効率が０．８Ｗ／Ａ、しきい値電圧が４Ｖで、１６０ｍＡ通電時には、光出力が５ｍＷ、動作電圧が６Ｖであった。さらに、この半導体発光装置を１０個用意し、１６０ｍＡの定電流駆動条件のもと、室温中で２００時間まで連続通電させたところ、動作電圧の初期に対する変動値は±１０％以内であった。
【００３８】
また、比較として上記ＬＤチップのｎ型電極にＴｉ／Ａｌの積層電極を使用した半導体レーザーを作製したところ、室温にて１６０ｍＡで光出力が５ｍＷ、動作電圧が６Ｖであった。本実施の形態と全く同じ特性が得られたが、上記条件で通電試験を行ったところ、動作電圧が、初期に対して３０％増加し、５００時間までさらに通電させると熱暴走により素子が破壊された。
（実施形態５）
実施形態４のＬＤチップを、以下の構成にて、実装した半導体発光装置の例を図５に示す。
【００３９】
５０１はｎ−ＧａＮ基板、５０２は窒化物系半導体多層膜、５０３は絶縁膜、５０４はｐ型電極、５０５は金属層、５０６はオーミック電極である。
【００４０】
ステム５０７上に固定されたサブマウント５０８上に、ｐ型電極５０４が形成されている面を上側としてＬＤチップを実装した。サブマウント５０８の上下面にはあらかじめハンダ材５０９がコートされており、熱圧着にてステム５０７とサブマウント５０８、サブマウント５０８とＬＤチップを融着させる。ｐ型電極５０４とリード端子５１０をワイヤー５１１ａにて接続し、サブマウント５０８上面にコートされたハンダ材５０９とステム５０７とをワイヤー５１１ｂにて接続する。
【００４１】
サブマウントは、ＬＤチップとステム５０７との熱膨張係数差で発生する熱応力の緩衝材であり、ＬＤチップに負荷をかけないために、ＬＤチップと同等の熱膨張係数で、熱伝導性の良好な材質からなる。ＬＤチップを構成する窒化物系化合物半導体の熱膨張係数は３．４〜４．４×１０−６／℃なので、３〜５×１０−６／℃の熱膨張係数の材質、例えば、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉなどが良い。また、熱伝導率は、４０Ｗ／ｍ／Ｋ以上であることが望ましい。また、ハンダ材５０９には、ＡｕＳｎを使用した。
【００４２】
こうして形成された半導体発光装置に対して、電流光出力特性および電流電圧特性を評価したところ、室温連続発振条件で、電流しきい値が、８０ｍＡ、スロープ効率が０．８Ｗ／Ａ、しきい値電圧が４Ｖで、１６０ｍＡ通電時には、光出力が５ｍＷ、動作電圧が６Ｖであった。
【００４３】
さらに、この半導体発光装置を１０個用意し、１６０ｍＡの定電流駆動条件のもと、室温中で２００時間まで連続通電させたところ、動作電圧の初期に対する変動値は±５％以内であった。
【００４４】
上記のようにサブマウント５０８を介してＬＤチップを実装することで、実装部分、すなわちｎ型電極やハンダ材５０９への負荷が小さくなるので、半導体発光装置の動作電圧の信頼性をさらに向上させることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ｎ−ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体多層膜が形成されてなる発光素子をマウント面に搭載した半導体発光装置において、ｎ−ＧａＮ基板裏面に形成されたｎ型電極を、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｃのいずれかからなる第１の金属とｎ−ＧａＮ基板に対してオーミック性を有する第２の金属を含む金属層上に第２の金属からなるオーミック電極が形成された構成とすることで、オーミック電極とｎ−ＧａＮ基板との密着性を改善して、マウント面から受ける熱歪に対して高い信頼性を有する半導体発光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の半導体発光装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２の半導体発光装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３の半導体発光装置の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４の半導体発光装置の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態５の半導体発光装置の断面図である。
【図６】本発明の従来例の半導体発光装置の断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１…ｎ−ＧａＮ基板
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２…窒化物系化合物半導体多層膜
１０３、２０３、３０３、４０４、５０４…ｐ型電極
１０４、２０４、３０４、…ｐパッド電極
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５…金属層
１０６、２０６、３０６、４０６、５０６…オーミック電極
１０７、２１０、３１１…Ａｇペースト
１０８、…リードフレーム
１０９…カップ
１１０、２１１、３１２、４１０、５１１ａ、５１１ｂ…ワイヤー
１１１…モールド樹脂
２０８、３０９…ダイボンド電極パターン
２０９、３１０…ワイヤボンド電極パターン
２１２、３１３…エポキシ樹脂
４０３、５０３…絶縁膜
４０７、５０７…ステム
４０８、５０９…ハンダ材
５０８…サブマウント
【図１】
0003772098.tif 000003
【図２】
0003772098.tif 000004
【図３】
0003772098.tif 000005
【図４】
0003772098.tif 000006
【図５】
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【図６】
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