JP2001015807A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
半導体発光素子の製造方法Info
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Abstract
供する。 【解決手段】 絶縁性樹脂の硬化処理温度を標準条件よ
り高温で実施した後の熱処理(吸湿処理)を85℃の雰
囲気中で行い、その後の高負荷耐久試験においても発光
特性が変化しなくなるのに必要な熱処理時間を、絶対湿
度を変動パラメータ(横軸)としてグラフにした。その
結果、発光特性の変化の有無の境界線は、絶対湿度の単
調減少関数となり、高負荷耐久試験においても安定した
発光特性を得るための熱処理時間T〔Hr〕は、式「T≧
−1.7H+124;H〔Kpa〕は絶対湿度」を満たし
た。熱処理(吸湿処理)雰囲気の温度は60℃以上、絶
対湿度は10Kpa以上が望ましい。絶対湿度が10Kpaを下
回ると、熱処理時間を長く要するか、或いは、熱処理の
効果が不十分になる。また、特に、熱処理雰囲気の絶対
湿度を50Kpa以上とすれば、更に短い時間内に本熱処理
を完了できる。
Description
成る層が積層され、電極及び透光性絶縁性の保護膜層を
有する、絶縁性樹脂で封止された半導体発光素子に関
し、特に、 III族窒化物系化合物半導体発光素子の耐久
性や信頼性を高く確保することができる半導体発光素子
の製造方法に関する。
ダイオード200の構成例を示した模式的構成図であ
る。ワイヤー・ボンディング型の半導体発光素子100
は、本図に示すように、リード201の上部の平坦部2
03に取り付けられ、負電極140とリード201がワ
イヤ204で接続され、ワイヤー・ボンディング用電極
パッドとなる厚膜正電極120とリード202がワイヤ
205で接続された後、レンズを形成するために、エポ
キシ樹脂等の絶縁性樹脂206がポッティング工程等に
より成形されている。
細な模式的断面図を示す。101はサファイヤ基板、1
02はAlNバッファ層、103はn型のGaN層、1
04はn型のGaNクラッド層、105は発光層、10
6はp型のAlGaNクラッド層、107はp型のGa
Nコンタクト層、110は電流をコンタクト層107の
広範囲に拡散する薄膜正電極、120はワイヤー・ボン
ディング用電極パッドとなる厚膜正電極であり、130
は保護膜層、140は負電極である。
を持たせるために、SiOx 等の酸化膜やSiNx 等の
窒化膜から形成される。発光素子100は、ワイヤー・
ボンディング実施後、発光素子上部(上記保護膜層13
0側)から、各電極120、140の露出面及び保護膜
層130が、絶縁性樹脂206で封止され、百数十度で
硬化される。
樹脂等の絶縁性樹脂206を硬化させた後に、発光ダイ
オード200を室温に戻すと、絶縁性樹脂206の熱収
縮の結果、発光素子100に応力が加わり、残留する。
この応力が残っている状態で、高負荷耐久試験(高温、
高湿、大電流、長時間の駆動試験)を行うと、発光素子
100の内部に発生する温度勾配に依る更なる応力が、
特に保護膜層130や保護膜層130を通じて薄膜正電
極110等に作用することになる。
aNコンタクト層107において、薄膜正電極110の
直下に位置する電流密度が高い部分と、薄膜正電極11
0に覆われていない段差部Sなどの様な電流密度の極め
て低い部分とが隣接していることにより発生する。
は問題ないが、例えば、絶縁性樹脂206の硬化温度を
200℃以上として過大な残留応力を発生させたり、長
時間高負荷耐久試験などの特に厳しい条件下に置かれた
場合、これにより保護膜層130の薄膜正電極110と
の接触面が部分的に変化し、発光特性等が影響を受ける
恐れがあった。従って、上記のような厳しい条件下での
信頼性を確保するために、材料品質の向上や、或いはポ
ッティング処理条件、硬化処理条件等の設定(規定)が
求められていた。
されたものであり、その目的は、厳しい条件下において
も保護膜層や薄膜正電極などの品質が高く維持される、
高信頼性を有する半導体発光素子の製造方法を提供する
ことである。
めには、以下の手段が有効である。即ち、第1の手段
は、電極及び保護膜層を有する半導体素子が絶縁性樹脂
で封止され、この絶縁性樹脂が高温下で硬化処理される
半導体発光素子の製造方法において、半導体発光素子を
硬化処理後に、常湿、又は、それ以上の高湿の雰囲気中
で熱処理することである。
いて、熱処理を60℃以上の雰囲気中で行うことであ
る。
手段において、高湿の雰囲気中の湿度範囲を絶対湿度で
10KPa以上とすることである。
いずれか1つの手段において、高湿の雰囲気中の湿度範
囲を絶対湿度で50KPa以上とすることである。
いずれか1つの手段において、熱処理を1気圧以上の雰
囲気中で行うことである。以上の手段により、前記の課
題を解決することができる。
樹脂に対する硬化処理後の熱処理により、絶縁性樹脂に
おける吸湿作用が起こり、本吸湿作用により発光素子の
内部や表面に残留していた応力が、大幅に緩和される。
この残留応力の緩和により、厳しい条件下での使用を想
定して行った高負荷耐久試験においても絶縁性樹脂20
6や保護膜層130や薄膜正電極110等が影響を受け
ることが無くなり、安定した発光特性を得ることができ
る。また、これらの作用・効果により、材料品質やポッ
ティング処理条件に対する限定範囲が大幅に緩和される
こととなり、これによって従来より生産性を大きく向上
することが可能となる。
温、或いは、10Kpa以上の高湿の処理雰囲気中で行
えば、高い吸湿作用による顕著な効果を発揮する。熱処
理温度が60℃を下回ると、急激に熱処理時間を長く要
する様になるか、或いは、熱処理の効果が十分には得ら
れなくなる。また、熱処理雰囲気の絶対湿度は、10K
pa以上が望ましく、この絶対湿度が10Kpaを下回
ると、熱処理時間を長く要するか、或いは、熱処理の効
果が十分には得られなくなる。また、熱処理の雰囲気を
1気圧よりも高い気圧に加圧すれば、絶縁性樹脂におけ
る吸湿作用が加速されるため、更に短い時間で本発明の
熱処理を完了させることが可能となる。
lx Gay In1-x-y N(0≦x≦1,0≦y≦1,0
≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系若しくは4
元系の半導体から成る半導体層が積層され、電極又は保
護膜層を有する III族窒化物系化合物半導体素子一般に
対して得ることができる。ただし、これらの半導体層よ
り発光素子を形成する場合には、2元系若しくは3元系
の半導体を用いた方がより望ましい。また、 III族元素
の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えて
も良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素
(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換え
ても良い。
族窒化物系化合物半導体層を積層する場合には、n型不
純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加しても良い。
また、p型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等
を添加することができる。
基板としては、サファイヤの他にも、スピネル、Si、Si
C、ZnO、MgO、或いは、 III族窒化物系化合物単結晶
等を用いても良い。また、バッファ層には、窒化アルミ
ニウム(AlN)以外にも、一般に、低温で結晶成長させ
たAlx Ga1-x N(0≦x≦1)を用いることができ
る。
方法としては、分子線気相成長法(MBE)、有機金属
気相成長法(MOCVD)、ハライド気相成長法(HD
VPE)、液相成長法等が有効である。
るために、基板の裏面に、発光反射層としてAl、In、C
u、Ag、Pt、Ir、Pd、Rh、W、Mo、Ti、又はNi等の金属
を少なくとも1種類以上含んだ単体金属層、または、合
金金属層を形成しても良い。
等より構成される発光素子の構造としては、ホモ構造、
ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられる。こ
れらは、MIS接合、PIN接合、或いは、pn接合等
により形成することができる。また、特に、発光層の構
造としては、単一量子井戸構造(SQW)のものであっ
ても、井戸層と井戸層よりもバンドギャップの大きい障
壁層を形成した多重量子井戸構造(MQW)のものであ
っても良い。
造或いは構成の半導体素子に対しても得ることができ
る。特に、本発明は上記の III族窒化物系化合物半導体
発光素子に対して前記の作用・効果を得ようとするもの
である。
及び実験に基づいて説明する。図2に、本発明の熱処理
に供すべきワイヤー・ボンディング型の半導体発光素子
100の断面図を示す。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4.0 μmの高キャリア濃度n+ 層
103が形成されている。この高キャリア濃度n+ 層1
03の上にSiドープのn型GaN から成る膜厚約0.5 μm
のクラッド層104が形成されている。
Ga0.8 In0.2 Nから成る多重量子井戸構造(MQ
W)の膜厚約500Åの発光層105が形成されてい
る。発光層105の上にはp型Al0.15Ga0.85N から成る
膜厚約600Åのクラッド層106が形成されている。
さらに、クラッド層106の上にはp型GaN から成る膜
厚約1500Åのコンタクト層107が形成されてい
る。
による薄膜正電極110が、n+ 層103上には負電極
140が形成されている。薄膜正電極110は、コンタ
クト層107に接合する膜厚約15Åのコバルト(Co)より
成る薄膜正電極第1層111と、Coに接合する膜厚約60
Åの金(Au)より成る薄膜正電極第2層112とで構成さ
れている。
ナジウム(V)より成る厚膜正電極第1層121と、膜
厚約15000Åの金(Au)より成る厚膜正電極第2
層122と、膜厚約100Åのアルミニウム(Al)よ
り成る厚膜正電極第3層123とを薄膜正電極110の
上から順次積層させることにより構成されている。負電
極140は、膜厚約175Åのバナジウム(V) 層141
と、膜厚約1000Åのアルミニウム(Al)層142と、
膜厚約500Åのバナジウム(V) 層143と、膜厚約5
000Åのニッケル(Ni)層144と、膜厚8000Åの
金(Au)層145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。また最上部には、SiO2 膜より成る
保護膜層130が形成されている。
100は、図1に示す様に、リード203の上部の平坦
部203に取り付けられている。そして、負電極140
とリード201がワイヤ204で接続され、ワイヤー・
ボンディング用電極パッドとなる厚膜正電極120とリ
ード202がワイヤ205で接続されている。また、レ
ンズを形成するために、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂2
06がポッティング工程により成形され、百数十度で硬
化される。
について、<1:半導体発光素子100の製造工程>、
<2:発光ダイオード200の組み立て工程>、<3:
発光ダイオード200の熱処理工程>(以下、「製造工
程1、製造工程2、製造工程3」等と言う場合があ
る。)の順に説明する。
図2に、本発明の熱処理に供すべき発光ダイオード20
0の主要部分を構成する化合物半導体発光素子100の
構成例を示した模式的断面図を示す。本発光素子100
は、有機金属気相成長法(MOVPE法)による気相成
長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(N
H3) 、キャリアガス(H2,N2)、トリメチルガリウム(Ga(C
H3)3)(以下「TMG 」と記す)、トリメチルアルミニウ
ム(Al(CH3)3)(以下「TMA 」と記す)、トリメチルイン
ジウム(In(CH3)3)(以下「TMI 」と記す)、シラン(SiH
4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)
(以下「CP2Mg 」と記す)である。まず、有機洗浄及び
熱処理により洗浄したa面を主面とした単結晶の基板1
01をMOVPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着
する。次に、常圧でH2を反応室に流しながら温度115
0℃で基板101をベーキングした。次に、基板101
の温度を400℃まで低下させて、H2、NH3 及びTMA を
供給してAlN のバッファ層102を約200Åの膜厚に
形成した。
で上げ、H2、NH3 、TMG 及びシランを供給し、膜厚約4.
0 μm、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドー
プのGaN から成る高キャリア濃度n+ 層103を形成し
た。次に、基板101の温度を1100℃に保持し、N2
又はH2、NH3 、TMG 及びシランを供給して、膜厚約0.
5μm、電子濃度1×1018/cm3のシリコン(Si)ドー
プのGaNから成るクラッド層104を形成した。上記
のクラッド層104を形成した後、結晶温度を850℃
に降温し、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、
膜厚約500ÅのGaNとGa0.8In0.2N から成る発光層
105を形成した。
温し、N2又はH2、NH3 、TMG 、TMA及びCP2Mg を供給し
て、膜厚約500Å、マグネシウム(Mg)をドープしたp
型Al 0.15Ga0.85N から成るクラッド層106を形成し
た。次に、基板101の温度を1000℃に保持し、N2
又はH2、NH3 、TMG 及びCP 2Mg を供給して、膜厚約10
00Å、Mgをドープしたp型GaN から成るコンタクト層
107を形成した。
グマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マス
クで覆われていない部分のコンタクト層107、クラッ
ド層106、発光層105、クラッド層104、n+ 層
103の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッ
チングによりエッチングして、n+ 層103の表面を露
出させた。次に、以下の手順で、n+ 層103に接合す
る負電極140と、コンタクト層107に接合する薄膜
正電極110とを形成した。
の高真空に排気した後、表面に一様に膜厚約15ÅのCoを
成膜し、このCoより形成された薄膜正電極第1層111
の上に膜厚約60ÅのAuより成る薄膜正電極第2層112
を成膜する。 [2]次に、表面上にフォトレジストを一様に塗布し
て、フォトリソグラフィにより、コンタクト層107の
上に積層する薄膜正電極110の形成部分以外のフォト
レジストを除去する。 [3]次に、エッチングにより露出しているCo、Auを除
去した後、フォトレジストを除去し、コンタクト層10
7上に薄膜正電極110を形成する。
ォトリソグラフィによりn+ 層103の露出面上の所定
領域に窓を形成して、10-6Torrオーダ以下の高真空に排
気した後、膜厚約175Åのバナジウム(V) 層141
と、膜厚約1000Åのアルミニウム(Al)層142と、
膜厚約500Åのバナジウム(V) 層143と、膜厚約5
000Åのニッケル(Ni)層144と、膜厚約8000Å
の金(Au)層145とを順次蒸着した。次に、フォト
レジストを除去する。これによりn+ 層103の露出面
上に負電極140が形成される。
正電極110とのコンタクト抵抗を低減させるための熱
処理を行った。即ち、試料雰囲気を真空ポンプで排気
し、O2ガスを供給して圧力10Paとし、その状態で雰
囲気温度を約 570℃にして、約4分程度加熱した。
10上に、更に、厚膜正電極120を形成するために、
フォトレジストを一様に塗布して、厚膜正電極120の
形成部分のフォトレジストに窓を開ける。その後、膜厚
約175Åのバナジウム(V)層121と、膜厚約15
000Åの金(Au)層122と、膜厚約100Åのア
ルミニウム(Al)層123とを薄膜正電極110の上
に順次蒸着により成膜させ、[4]の工程と同様にリフ
トオフ法により厚膜正電極120を形成する。
上部に露出している最上層に一様にSiO2 より成る保
護膜層130を形成し、フォトレジストの塗布、フォト
リソグラフィー工程を経て、厚膜正電極120および負
電極140に外部露出部分ができるようにほぼ同面積の
窓をそれぞれ一つづつウエットエッチングにより形成す
る。このようにして、発光素子100を形成する。
程>上記の製造工程に従って製造された半導体発光素子
100は、その後、図1に示すように、リード203の
上部の平坦部203に取り付けられ、負電極140とリ
ード201がワイヤ204で接続され、ワイヤー・ボン
ディング用電極パッドとなる厚膜正電極120とリード
202がワイヤ205で接続された後、レンズを形成す
るために、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂206がポッテ
ィング工程により成形される。
(上記保護膜層130側)から、各電極120、140
の露出面及び保護膜層130が、エポキシ樹脂等の絶縁
性樹脂で封止され、その後、発光ダイオード200は、
絶縁性樹脂206を硬化させるため、通常は120℃で
1時間、150℃で4時間硬化処理される。尚、本件高
負荷耐久試験用として特に、絶縁性樹脂206の熱収縮
の結果発生する残留応力を過大にするため、120℃で
1時間、200℃で4時間の硬化処理を実施した。
>上記の製造工程1、2に従って製造された発光ダイオ
ード200は、その後、絶縁性樹脂206に吸湿させる
ために、1気圧、85℃、相対湿度90%の雰囲気中で
50時間保存されることにより、熱処理(吸湿処理)さ
れる。尚、本熱処理の実施条件については、後で詳しく
述べる。以上のようにして、発光ダイオード200は、
上記の製造工程1、2、3の順に従って製造された。
することにより、絶縁性樹脂206の硬化温度を標準条
件より高温で実施し残留応力を過大とした状態で高負荷
耐久試験(高温、高湿、大電流、長時間の駆動試験)を
行っても、保護膜層130や薄膜正電極110等が影響
を受けることが無くなり、安定した発光特性を得ること
ができた。これは、特に、上記の製造工程3で、上記の
熱処理(1気圧、85℃、相対湿度90%の雰囲気中で
50時間保存)により、絶縁性樹脂206に残留してい
た応力の緩和が十分に行われたためである。
記の製造工程3における熱処理の実施条件を詳しく調べ
るために、以下の2つの実験a.b.を行った。 《a.温度依存性の実験》本実験は、上記の<1:半導
体発光素子100の製造工程>及び<2:発光ダイオー
ド200の組み立て工程>に従って製造された発光ダイ
オード200について、その後の熱処理工程における処
理雰囲気の温度(℃)と熱処理時間(hr)との関係を
調査したものである。
表中の○印は、この熱処理工程後に行った高負荷耐久試
験(高温、高湿、大電流、長時間の駆動試験)の結果、
発光特性に変化がなかったことを示している。本実験
は、熱処理を相対湿度90%の雰囲気中でそれぞれ行な
った。
したものを図4に示す。本グラフから判るように、熱処
理後の発光特性の変化の有無の境界を示すグラフは、必
要とされる熱処理時間が温度の上昇に伴い単調に減少す
るいわゆる単調減少関数になっている。これらの実験結
果より、次のことが結論できる。 1)熱処理温度を60℃から100℃に近づける程、熱
処理時間を短くすることができる。例えば、(60
℃)の場合では、約500時間(約3週間)を本熱処理
に要したが、(85℃)の場合では、2日(約50時
間)で本熱処理を完了させることができた。 2)熱処理温度は、60℃以上が望ましい。これは、熱
処理温度が60℃を下回ると、急激に熱処理時間を長く
要する様になるか、或いは、熱処理の効果が十分には得
られなくなるからである。
の<1:半導体発光素子100の製造工程>及び<2:
発光ダイオード200の組み立て工程>に従って製造さ
れた発光ダイオード200について、その後の熱処理工
程における処理雰囲気の湿度(相対湿度(%)及び、絶
対湿度(Kpa))と熱処理時間(hr)との関係を調
査したものである。
表中の○印は、上記の実験a.と同様に、上記の高負荷
耐久試験(検査)の結果を示したものである。本実験
は、熱処理を85℃の雰囲気中でそれぞれ行なった。
算して、熱処理(吸湿処理)に必要な最小時間をプロッ
トしたグラフを図6に示す。ただし、本グラフ中には、
上記の実験a.において熱処理時間が200時間未満で
も発光特性に変化がなかった場合(、)の最小時間
についても合わせて記載した。本グラフから判るよう
に、熱処理後の発光特性の変化の有無の境界を示すグラ
フは、単調減少関数になっている。これらの実験結果よ
り、次のことが結論できる。
特性を得るための熱処理時間T〔hr〕は、次式(1)
に従う。
湿度である。 2)熱処理雰囲気の絶対湿度は、10Kpa以上が望ま
しい。これは、絶対湿度が10Kpaを下回ると、熱処
理時間を長く要するか、或いは、熱処理の効果が十分に
は得られなくなるからである。 3)熱処理雰囲気の絶対湿度は、50Kpa以上が、更
により望ましい。絶対湿度を50Kpa以上とすれば、
更に短い時間で本熱処理を完了させることも可能であ
る。
囲気中で熱処理を行ったが、熱処理の雰囲気を1気圧よ
りも高い気圧に加圧すれば、より高温で高湿の雰囲気が
得られるため、上記の実験a.b.よりも更に短い時間
で本発明の熱処理を完了させることが可能となる。
成例を示した構成図。
要部分を構成する化合物半導体発光素子の構成例を示し
た模式的断面図。
験の結果を示す表。
験の結果を示すグラフ。
験の結果を示す表。
験の結果を示すグラフ。
Claims (5)
- 【請求項1】 電極及び保護膜層を有する半導体発光素
子が絶縁性樹脂で封止され、前記絶縁性樹脂が高温下で
硬化処理される半導体発光素子の製造方法であって、 前記半導体発光素子を前記硬化処理後に、常湿、又は、
それ以上の高湿の雰囲気中で熱処理することを特徴とす
る半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項2】 前記熱処理を60℃以上の雰囲気中で行
うことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子の
製造方法。 - 【請求項3】 前記高湿の雰囲気中の湿度範囲は、絶対
湿度で10KPa以上であることを特徴とする請求項1
又は請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項4】 前記高湿の雰囲気中の湿度範囲は、絶対
湿度で50KPa以上であることを特徴とする請求項1
乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体発光素子の
製造方法。 - 【請求項5】 前記熱処理を1気圧以上の雰囲気中で行
うことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1
項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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