(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する基板上に発光層を含む１又は２以上の窒化ガリウム系半導体層を介して形成されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、該ｐ型窒化ガリウム系半導体層とオーミック接触する第１正電極と、上記第１正電極上の一部に形成された第２正電極とを備え、基板を介して発光した光を出力する窒化物半導体発光素子であって、
上記第２正電極を、上記第１正電極に接するように形成された層をＡｕ又はＰｔを主成分として形成した後、上記第２正電極を２５０℃以上７５０℃以下の所定の温度で熱処理したものであり、
さらに上記第１正電極は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｏ、Ｐｄ及びＡｇからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属を主成分として上記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と接して形成された第１層と、Ａｕ、Ｐｔ及びＩｒからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素を主成分として形成された第２層とを含む積層体が熱処理されてなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
上記第１層は、Ｎｉ又はＣｏを主成分とし、上記第２層は、Ａｕ又はＰｔを主成分として形成された請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
上記第１正電極が、４００℃以上７５０℃以下の所定の温度で熱処理されている請求項１又は２記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐ型窒化物半導体層に正電極を備え、発光した光を基板を介して出力する窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体を用いた発光素子が、青色系の発光が可能な発光素子として注目されている。この窒化物半導体を用いた従来の発光素子には、ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に形成された透光性を有する正電極を介して発光した光を出力するいわゆる半導体側発光タイプと、透光性を有するサファイヤ基板を介して発光した光を出力する基板側発光タイプに大別され、用途に応じて使い分けられている。この従来の基板側発光タイプの窒化物半導体発光素子において、ｎ側の負電極は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の上面の一部を露出させて、露出された上面に形成され、ｐ側の正電極は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層のほぼ全面に形成される。尚、ｐ側の正電極は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層のほぼ全面に形成された第１正電極と、その第１正電極上の一部に形成された外部回路との接続用の第２正電極からなる。
【０００３】
さらに、従来の窒化物半導体発光素子では、通常、半導体層及び電極層を保護するために、第２正電極上及び負電極上の外部回路との接続部分とを除いてポリイミド系樹脂膜を形成した後、例えば３００℃の温度で硬化させて保護膜を形成する。
以上のように構成された従来の窒化物半導体発光素子は、第２正電極と負電極の外部回路との接続部分をそれぞれ、配線基板に対向させて例えばフィリップボンディングにより接続し、発光した光を透光性の基板を介して出力される。
ここで、フィリップボンディングする場合、リフロー炉において例えば２５０〜３００℃程度の温度がかけられることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の基板側発光の窒化物半導体発光素子は、上述の第２正電極が形成された後の保護膜形成工程又はフィリップボンディング工程等で、例えば２５０℃以上の温度がかかると、上記第２正電極直下の発光層における発光が、他の部分に比較して極めて弱くなるという問題点があった。このために、基板側発光タイプの窒化物半導体発光素子では、発光効率をある一定以上高くすることができなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題点を解決して、発光効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の従来例の問題点を解決するために、第２正電極直下の発光層における発光を十分確保できる構造を鋭意検討した結果、第２正電極に特定の金属を用いることにより、第２正電極直下の発光層における発光を確保できることを見いだして完成させたものである。
【０００７】
すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子は、透光性を有する基板上に発光層を含む１又は２以上の窒化ガリウム系半導体層を介して形成されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、該ｐ型窒化ガリウム系半導体層とオーミック接触する第１正電極と、上記第１正電極上の一部に形成された第２正電極とを備え、基板を介して発光した光を出力する窒化物半導体発光素子であって、
上記第２正電極を、上記第１正電極に接するように形成された層をＡｕ又はＰｔを主成分として形成した後、上記第２正電極を２５０℃以上７５０℃以下の所定の温度で熱処理したものであり、
さらに上記第１正電極は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｏ、Ｐｄ及びＡｇからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属を主成分として上記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と接して形成された第１層と、Ａｕ、Ｐｔ及びＩｒからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素を主成分として形成された第２層とを含む積層体が熱処理されていることを特徴とする。
【０００７】
これにより、上記第２正電極の直下の発光層の発光を十分に確保できる。
【０００８】
さらに、上記ｐ型窒化ガリウム系半導体層と第１正電極との間で良好なオーミック接触が得られる。
【０００９】
また、上記窒化物半導体発光素子において、上記第１層は、Ｎｉ又はＣｏを主成分とし、上記第２層は、Ａｕ又はＰｔを主成分として形成されることが好ましい。
【００１０】
さらに、上記窒化物半導体発光素子において、上記第１正電極が、４００℃以上７５０℃以下の所定の温度で熱処理されていることが好ましく、これによって、さらに良好なオーミック接触が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態について説明する。
本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、透光性を有する基板１１を介して発光した光を出力するいわゆる基板側発光タイプの発光素子であって、図１に示すように、例えばサファイヤからなる基板１１上に、例えば、ＳｉがドープされたＡｌＩｎＧａＮからなるｎ型窒化ガリウム系半導体層１２、例えば、ＩｎＧａＮからなる発光層１０及び例えば、ＭｇがドープされたＡｌＩｎＧａＮからなるｐ型窒化ガリウム系半導体層１３が順に積層された半導体層構造を有し、正負の電極が以下のように形成されて構成される。
すなわち、１つの側面（第１側面）から所定の幅にｐ型窒化ガリウム系半導体層及び発光層が除去されて露出されたｎ型窒化ガリウム系半導体層１２の上面にｎ側の負電極１４が形成され、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３の上面のほぼ全面にｐ側の第１正電極１５が形成される。そして、第１正電極１５上の負電極１４から離れた位置に第２正電極１６が形成され、負電極１４上及び第２正電極１６上の開口部を除き、各電極及び各半導体層を覆うように絶縁膜１７が形成される。
【００１２】
ここで、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、第２正電極１６を、Ａｕ又はＰｔのいずれかを主成分として形成したことを特徴とし、上記第２正電極１６の直下の発光層１０における十分な発光を確保している。尚、本実施形態では、第２正電極１６の直下の発光層１０において良好な発光を確保するために、第２正電極１６を所定の温度で熱処理することが好ましい。
尚、第２正電極１６の熱処理は、第２正電極１６の直下の発光層１０においてさらに良好な発光を確保するために、２５０℃以上７５０℃以下の所定の温度で行われることが好ましい。
また、以上の実施形態では、第２正電極１６を、Ａｕ又はＰｔのいずれかを主成分として形成したが、本発明はこれに限らず、第２正電極１６のうちの少なくとも第１正電極と接する部分を、Ａｕ又はＰｔのいずれかを主成分として形成すればよい。以上のように構成しても、上記第２正電極１６の直下の発光層１０における十分な発光を確保できる。
尚、本発明の電極構成は窒化物半導体発光素子に限らず、窒化物半導体受光素子に適用することもできる。この場合、例えば本実施形態の活性層１０に代えて光吸収層を形成する。このようにして本発明の電極構成を受光素子に適用し、基板側から光を入射すると、第２正電極１６の直下の光吸収層においても、光を十分吸収させることができ、光電変換効率の高い受光素子を構成できる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例の窒化物半導体発光素子について説明する。本実施例の窒化物半導体発光素子は、サファイヤからなる基板１１上に、それぞれＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１２、発光層１０及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１３を成長させる。そして、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１２、発光層１０及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１３の外周部分を塩素系のガスを用いてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法で除去し、続いて、ｎ側の負電極１４を形成するために、ｐ型窒化ガリウム系半導体層と発光層とを１つの側面から所定の幅に除去してｎ型窒化ガリウム系半導体層１３の上面を露出させる。そして、所定の位置に負電極１４、第１正電極１５及び第２正電極１６を形成した後、負電極１４及び第２正電極１６上の外部回路との接続部分を除いて、保護膜１７を形成する。
【００１４】
本実施例の第１正電極１５と第２正電極１６とについてさらに詳細に説明すると、非透光性の第１正電極１５は、Ｎｉを主成分とするＮｉ層をｐ型窒化ガリウム系半導体層１３に接するように例えば１００Åの厚さに形成した後、Ｎｉ層上にＡｕを主成分とするＡｕ層を例えば５００Åの厚さに形成する。以上のように形成したＮｉ層とＡｕ層との積層体を、４００℃〜７００℃の範囲の所定の温度で熱処理することにより、積層構造を逆転させ、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３に接する側に主としてＡｕを分布させ、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３から離れた側に主としてＮｉを分布させる。
また、第２正電極１６は、第１正電極１５上にスパッタリング装置等を用いて、Ａｕを７０００Åの厚さに堆積させることにより形成する。その後、乾燥機を用いて、３００℃の温度で４５分間熱処理を行い、実施例の窒化物半導体発光素子を作成した。
【００１５】
以上のように作成した実施例の窒化物半導体発光素子を、図２に示すように、フィリップチップボンディングして、基板１１側から発光状態を確認した。尚、この試料において、配線基板２１上には発光素子の正負の電極に電圧を印加するための電極２３ａ，２３ｂが形成され、該電極２３ａ，２３ｂと第２正電極１６及び負電極１４との接続はそれぞれ、導電性樹脂２２ａ，２２ｂを用いて行った。
【００１６】
以上のように構成された図２の試料に、発光素子の順方向電流が２０ｍＡになるように電圧を印加して、発光層１０における発光強度分布を基板１１側から測定した。その結果を図４に示す。ここで、図４には、図３に示すＡ−Ａ’線における位置に対する発光強度を示していて、発光強度はｃ点における発光強度を１としたときの相対値で示している。尚、本試料において、ａ−ｂ間は、第２正電極１６の直下である。また、ａ点を０としたき、ｂ点は１００μｍであり、ｃ点は１７５μｍである。
尚、図４において比較例として示したものは、第２正電極１６として第１正電極に接する側にＮｉ層を２００Åの厚さに形成した後、Ａｕを７０００Åの厚さに形成した以外は、本実施例と同様に構成したものである。
【００１７】
図４に示した発光強度分布から明らかなように、本実施例の窒化物半導体発光素子では、第２正電極１６の直下の発光層における発光が比較例に比べて大きくできることがわかる。
すなわち、比較例の窒化物半導体発光素子では、３００℃の熱ストレスによって、第１正電極に均一な電流が流れずに第２正電極が形成されていない第１正電極部分に集中する。その結果、第２正電極直下の発光層には電流が注入されないので、第２正電極直下の発光層における発光強度は非常に弱いものとなる。これに対して、本実施例の窒化物半導体発光素子では、熱ストレスがかかっても、第１正電極に流れる電流は、第２正電極直下においても、ほぼ均一に流すことができ、第２正電極直下の発光層の発光強度をある一定以上に保持することができる。
尚、本実施例の窒化物半導体発光素子において、ｃ部よりａ部の発光強度が低くなっているのは、ｃ部よりａ部の方が負電極１４から離れているので、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１２の抵抗分により注入される電流が低くなるためと考えられる。
【００１８】
次に、第１正電極１５及び第２正電極１６（第１の電極層１及び第２の電極層２）として種々の金属を組み合わせて同様の検討を行った結果を表１に示し説明する。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１中で、○を付したものは、第２正電極の直下の発光層において、良好な発光が確認されたものを示し、×は、発光強度が弱いことを示す。また、表１の第２正電極１６の欄において、（／）の左側に記載した元素は、第１の電極層１として形成したものを示し、（／）の右側に記載した元素は、第２の電極層２として形成したものを示す。また、第１正電極１５の欄において、（／）の左側に記載した元素は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層に接するように形成された元素を示す。尚、本検討において、第１の電極層１は、２００Åの厚さに形成し、第２電極層２は７０００Åの厚さに形成して、３００℃で熱処理をした。また、熱処理温度は、２５０℃から７５０℃の範囲であれば、良好な結果が得られることを確認した。
【００２１】
以上詳細に説明したように、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、第２正電極１６を、Ａｕ又はＰｔを主成分として形成した後、所定の温度で熱処理している。これによって、第２正電極１６直下の発光層１０に電流を注入することができ、第２正電極１６直下の発光層１０においても十分発光させることができる。
ここで、第１正電極１５は、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ａｕ及びＣｏ／Ａｕのいずれでも同様の効果を有する。
【００２２】
尚、本発明では、第１正電極１５の第１層は、上記Ｎｉ、Ｃｏに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｖ、Ａｇ又はＰｄでも良く、第１正電極の第２層は、Ｐｔ、Ａｕに限らず、例えば、例えば、Ｉｒでもよい。以上例示した上記各金属を用いることにより、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３とオーミック接触が可能な第１正電極を形成できる。すなわち、本発明は、第１正電極の金属は特に限定されるものではなく、第１正電極は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３とオーミック接触するものであれば適用できる。
尚、第１正電極１５は、４００℃以上７５０℃以下の所定の温度で熱処理することが好ましく、これによって、より効果的なオーミック接触を確保できる。
【００２３】
以上の実施形態及び実施例では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１２、活性層１０及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１３を備えた窒化物半導体層素子について示したが、本発明はこれに限らず、バッファ層等のその他の半導体層を備えていてもよいことはいうまでもない。他の半導体層を備えていても本発明を適用することができ、実施形態と同様の作用効果を有する。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る窒化物半導体素子は、上記第２正電極において、上記第１正電極に接するように形成された層をＡｕ又はＰｔを主成分として形成することにより、上記第２正電極の直下の発光層の発光が可能となる。従って、本発明によれば、極めて発光効率のよい窒化物半導体発光素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子の模式断面図である。
【図２】実施例の窒化物半導体発光素子を配線基板にフィリップチップボンディングしたときの断面図である。
【図３】発光状態を確認するための測定位置を示すための実施例の窒化物半導体発光素子の平面図である。
【図４】実施例の窒化物半導体発光素子の発光状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…活性層、
１１…基板、
１２…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、
１３…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、
１４…負電極、
１５…第１正電極、
１６…第２正電極、
１７…絶縁膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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