(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を有し、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面ほぼ全体に透光性のｐ側電極が形成されてなる窒化ガリウム系化合物半導体素子において、前記ｐ側電極が前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に接するＳｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金からなる層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素子。
【請求項２】
前記ｐ側電極が、Ｓｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金の層の上にＡｕ（金）が積層された少なくとも２層構造である請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は、緑色や青色等の可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として注目されており、最近では２０００ｍｃｄを超える高輝度の青色発光ダイオードも実用化されている。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体を用いた光デバイスの製造においては、専らサファイアが結晶成長用の基板として用いられている。このサファイアのような絶縁性の基板を用いる場合では、他のＧａＡｓやＩｎＰ等の導電性を有する半導体基板を用いた発光素子とは異なり、基板側から電極を取り出すことができないので、半導体層に設けるｐ側及びｎ側の電極は半導体層を積層させた基板の一面側に形成されることになる。
【０００４】
一般に、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法により、基板表面にｎ型層とｐ型層を積層させた後、ｐ型層の一部の領域をエッチングにより除去してｎ型層を露出させ、この露出した部分のｎ型層の表面及びｐ型層の表面のそれぞれにｎ側電極及びｐ側電極を接合形成させたものとして得ることができる。
【０００５】
このような半導体発光素子においては、ｎ型層とｐ型層の積層を、ｎ型のクラッド層と活性層とｐ型のクラッド層とからなるダブルヘテロ構造とすることで、発光出力の向上が可能であることは、既に広く知られている。また、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層とし、この層の上に電極が形成されるべき層としてＭｇがドープされたｐ型ＧａＮコンタクト層を備えた構造とすれば、電極との良好なオーミック性が得られ、素子の順方向電圧を低下させ、発光効率を向上させることができる。このような構造の半導体発光素子は、例えば特開平６−２６８２５９号公報に開示されている。
【０００６】
ところで、窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型層はｎ型層に比べると、一般に電気的抵抗が高いため、電流が流れにくい。このため、ｐ型層の表面にｐ側電極としてワイヤボンディング用のパッド電極を蒸着法等により形成すると、パッド電極から注入された電流はｐ型層の層方向へは広がらず、このパッド電極を形成した領域の下側にかけてしか電流が流れない傾向がある。したがって、発光部における発光はパッド電極の下側の領域に限られ、ｐ型層側へ向かう光はこのパッド電極に遮られてしまい、発光効率が低下してしまう。
【０００７】
これに対し、例えば特開平６−３１４８２２号公報にて開示されているように、パッド電極部分だけでなくｐ型層の全体に電流を注入しやすくするため、ｐ型層の上面に導電性の薄膜を形成し、これを電極とすることが有効とされている。そして、導電性薄膜による電極を透光性としてｐ型層のほぼ全面に形成し、透光性電極とすれば、ｐ型層の上面を発光部からの発光観測面とする構成が可能である。透光性電極としては、ｐ型層とのオーミック接触が得られるＡｕ及びＮｉが用いられる。
【０００８】
図４は上述した従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面構造を示す図であり、近来では主流とされているものの典型的なものである。
【０００９】
図４において、サファイア基板１１上に、ＧａＮバッファ層１２と、ｎ型ＧａＮ層１３と、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４と、ＩｎＧａＮ活性層１５と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＧａＮ層１７とが順に積層されたダブルヘテロ構造を有している。ｎ型ＧａＮ層１３の上面にはＴｉとＡｌよりなるｎ側電極１８が形成されており、ｐ型ＧａＮ層１７の上面にはそのほぼ全面にＡｕとＮｉからなる透光性のｐ側電極１９が形成されている。さらに、ｐ側電極１９の上面にはｐ側ボンディング電極２０が形成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ｐ側電極１９としては、上記のようにＮｉ及びＡｕが用いられ、Ｎｉの場合は１〜５ｎｍの膜厚及びＡｕでは５〜２０ｎｍの膜厚として形成されるのが一般的である。すなわち、ＮｉやＡｕ等の金属を極めて薄い膜として形成し透光性を得ようとしたものであるが、発光層であるＩｎＧａＮ活性層１５からの発光に対して、透光率は１００％とはならない。例えば、青色の波長の発光に対しては、透光率は４０％〜７０％程度である。
【００１１】
一方、透光率を上げるためにｐ側電極１９を極端に薄く形成すると、その厚みばらつき等により、ｐ型ＧａＮ層１７との密着性やオーミック性が悪くなり、ｐ型層に均一に電流を注入することができなくなる傾向がある。
【００１２】
このようなことから、従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、その平均的な発光特性は、順方向電流Ｉｆが２０ｍＡにおいて順方向電圧Ｖｆは３．６Ｖ程度となっている。
【００１３】
一方、たとえば発光ダイオードを多数個並べてディスプレイパネルを組み立てるような場合、個々の発光ダイオードのそれぞれについては電圧降下が小さくなるので、ディスプレイパネルの全体にかける電圧を小さくできる。したがって、順方向電圧Ｖｆの低減は電力の節減という点から重要であり、従来では順方向電圧が３．６Ｖ程度と大きいので、この値を更に低減することが有効である。
【００１４】
本発明において解決すべき課題は、窒化ガリウム系化合物半導体素子において、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の上に形成される透光性のｐ側電極の材質の転換により、順方向電圧Ｖｆの低減と透光率の向上を図ることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の上に形成されるｐ側電極が、Ｓｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金からなる層を有することを特徴とする。
【００１６】
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に接するｐ側電極にＳｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金を使用することにより、オーミック性が良化して電極間抵抗が低下し、順方向電圧Ｖｆを低減することができる。また、Ｓｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金は、従来の半導体素子に使用されているＮｉ（ニッケル）に比べ透光率が高いので、発光素子においては外部量子効率が向上し、さらに、従来の素子と同等の明るさとする場合、ｐ側電極の膜厚を厚くすることができ、組立時のボンディング不良を低減し素子自体の信頼性を高めることができる。
【００１７】
なお、本発明の窒化ガリウム系半導体素子を受光素子に応用した場合でも、発光素子と同様に順方向電圧Ｖｆの低減が可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を有し、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面ほぼ全体に透光性のｐ側電極が形成されてなる窒化ガリウム系化合物半導体素子において、前記ｐ側電極が前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に接するＳｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金からなる層を有するものであり、順方向電圧Ｖｆを低減し、透光率を高めるという作用を有する。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１におけるｐ側電極が、Ｓｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金の層の上にＡｕ（金）が積層された少なくとも２層構造であるもので、Ｓｂが露出した状態で大気中に取り出して再度ボンディング用のＡｕを蒸着するとその付着不良が発生するのに対し、次工程での金属材料との付着力を高めることができるという作用を有する。
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施形態における半導体発光素子の断面構造を示す図である。半導体発光素子は、サファイア基板１の表面にＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型ＡｌＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＮ層６、ｐ型ＧａＮ層７の順に積層したウエーハの、ｐ型ＧａＮ層７の表面に所定の形状のパターンを形成してｐ型ＧａＮ層７側からドライエッチングを行い、ｎ側電極を形成するべきｎ型ＧａＮ層３の一部を露出させ、その表面にｎ側電極８を形成する。ここまでは図４に示した従来の半導体発光素子と同じである。
【００２１】
本実施形態の半導体発光素子においては、ｐ側電極９として、ｐ型ＧａＮ層７の表面ほぼ全体にＳｂを含む合金Ａｕ−Ｓｂを１００Åの膜厚で蒸着している。このｐ側電極９の上にｐ側ボンディング電極１０を形成している。
【００２２】
このようにｐ側電極９としてＳｂを含む合金Ａｕ−Ｓｂを使用したことにより、ｐ側電極としてＮｉやＡｕを使用した従来の半導体発光素子に比して、順方向電圧Ｖｆが低減し、透光率の高い発光素子が得られた。
【００２３】
図２は、本実施形態の半導体発光素子（Ａ）と、ｐ側電極としてＮｉを５０Å、その上にＡｕを５０Å蒸着した従来の半導体発光素子（Ｂ）についての、ｐ電極とｐ電極の間の電流電圧特性を示す図である。同図に示すように、（Ａ），（Ｂ）いずれの電極の場合もｐ型ＧａＮ層とオーミック接触を得ていることがわかる。
【００２４】
さらに、図２の特性図から明らかなように、Ｒ＝Ｖ／Ｉの関係により、特性を示す直線の勾配が大きいほど抵抗は小さいので、電極間抵抗は小さくなり、ｐ型ＧａＮ層と良好な接触を得ていることがわかる。
【００２５】
図３は、本実施形態の半導体発光素子（Ａ）のｐ側電極と従来の半導体発光素子（Ｂ）のｐ側電極についての透光率を膜厚別に示す図である。同図の横軸はｐ側電極の膜厚であり、縦軸は波長４５０ｎｍの光の透光率である。同図に示すように、合金Ａｕ−Ｓｂを使用した本実施形態の半導体発光素子（Ａ）のｐ側電極は、従来の半導体発光素子（Ｂ）のｐ側電極に比して透光率が約１２％高く、それだけ外部量子効率が向上する。また、従来の半導体発光素子（Ｂ）と同等の明るさとする場合、本実施形態の半導体発光素子（Ａ）においてはｐ側電極の膜厚を従来の半導体発光素子（Ｂ）のｐ側電極より約６０Å厚くすることができ、組立時のボンディング不良を低減し素子自体の信頼性を高めることができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す半導体発光素子の断面構造において、サファイア基板１の表面にＧａＮバッファ層２を２００Å、ｎ型ＧａＮ層３を４μｍ、ｎ型ＡｌＧａＮ層４を０．１μｍ、ＩｎＧａＮ活性層５を０．０５μｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ層６を０．１μｍ、ｐ型ＧａＮ層７を０．５μｍの膜厚で順に積層したウエーハを用意する。次に、このウエーハのｐ型ＧａＮ層７の表面に所定の形状のパターンを形成し、ｐ型ＧａＮ層７側からドライエッチングを行い、ｎ側電極８を形成するべきｎ型ＧａＮ層３の一部を露出させる。次に露出したｎ型ＧａＮ層３の表面にｎ側電極８としてＴｉを０．３μｍ、Ａｕを２μｍの膜厚で順に蒸着し、所定の形状にパターニングする。さらに、ｐ側電極９としてｐ型ＧａＮ層７の表面ほぼ全体にＳｂを含む合金Ａｕ−Ｓｂを１００Å蒸着する。蒸着後、このウエーハを不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う。ここで、ｐ側電極９の一部分にＡｕ線をボンディングするｐ側ボンディング電極１０を形成する必要があるが、これは熱処理の前でも後でも構わない。こうして、電極形成を行ったウエーハを所定の形状にカットして得られた半導体発光素子を、ＬＥＤランプとして組み立てた。
【００２７】
このＬＥＤは順方向電流Ｉｆ２０ｍＡにおいて、順方向電圧Ｖｆ３．２ｖを達成した。したがって、この順方向電圧Ｖｆを持つＬＥＤを多数個配列してディスプレイパネルとする場合には、回路全体としての消費電力が大幅に低減されると同時に、ＬＥＤの単体では順方向電圧Ｖｆに起因する発熱も抑制されるので信頼性が確保され寿命も長くなる。
【００２８】
また、発光出力も、ｐ側電極にＮｉを５０Å蒸着し、その上にＡｕを５０Å蒸着した従来の半導体発光素子を用いたＬＥＤに比べ１．２倍となった。
【００２９】
（実施例２）
ｐ側電極９としてｐ型ＧａＮ層７の表面ほぼ全体にＳｂを５０Å蒸着し、その上にＡｕを５０Å蒸着するほかは実施例１と同様にしてＬＥＤランプとして組み立てた。このＬＥＤは順方向電流Ｉｆ２０ｍＡにおいて、実施例１と同じく順方向電圧Ｖｆ３．２ｖを達成した。また、発光出力も従来の半導体発光素子を用いたＬＥＤに比べ１．２倍となった。
【００３０】
（実施例３）
ｐ側電極９としてｐ型ＧａＮ層７の表面ほぼ全体にＳｂを含む合金Ａｕ−Ｓｂを１５０Å蒸着するほかは実施例１と同様にしてＬＥＤランプとして組み立てた。このＬＥＤは順方向電流Ｉｆ２０ｍＡにおいて、実施例１と同じく順方向電圧Ｖｆ３．２ｖを達成した。また、発光出力も従来の半導体発光素子を用いたＬＥＤと同等であった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に接するｐ側電極にＳｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金を使用することにより、順方向電圧Ｖｆを低減することができ、これによってＬＥＤの効率向上を図ることがができる。また、Ｓｂ（アンチモン）またはＳｂ（アンチモン）を含む合金は、従来の半導体素子に使用されているＮｉ（ニッケル）に比べ透光率が高いので、発光素子においては外部量子効率が向上し、さらに、従来の発光素子と同等の明るさとする場合、ｐ側電極の膜厚を厚くすることができ、組立時のボンディング不良を低減し素子自体の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における半導体発光素子の断面構造を示す図
【図２】本実施形態の半導体発光素子と従来の半導体発光素子についての電流電圧特性を示す図
【図３】本実施形態の半導体発光素子のｐ側電極と従来の半導体発光素子のｐ側電極についての透光率を示す図
【図４】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面構造を示す図
【符号の説明】
１，１１  サファイア基板
２，１２  ＧａＮバッファ層
３，１３  ｎ型ＧａＮ層
４，１４  ｎ型ＡｌＧａＮ層
５，１５  ＩｎＧａＮ活性層
６，１６  ｐ型ＡｌＧａＮ層
７，１７  ｐ型ＧａＮ層
８，１８  ｎ側電極
９，１９  ｐ側電極
１０，２０  ｐ側ボンディング電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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