(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３族窒化物半導体から成る少なくともｐ層とｎ層とが積層され、上層の一部を除去して、下層の電流供給層の一部を露出させ、最上層及び前記電流供給層の露出部分に電極を形成した発光素子において、
前記発光素子の表面上に形成された、比抵抗０．１  Ωｃｍ〜１  ×１０５  Ωｃｍの保護膜を有することを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記保護膜は金属アルコレート（Ｍ−ＯＲ）又は珪素化合物を有機溶剤又は水に溶かした溶液を塗布後、加熱乾燥して得られる膜であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記保護膜の厚さは３００  Å〜３  μｍであることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記電極間の前記保護膜を通る経路の保護膜抵抗と前記電極間の前記ｐ層と前記ｎ層を通る駆動電流経路の素子抵抗との関係において、順方向電圧に対して、前記保護膜抵抗は前記素子抵抗よりも十分に大きく、逆方向電圧に対して、前記保護膜抵抗は前記素子抵抗よりも十分に小さくなるように前記保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３族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、製造が簡単で静電耐圧を向上させた３族窒化物半導体を用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、３族窒化物半導体を用いた青色発光の発光素子が知られている。この発光素子では、素子の表面上にＳｉＯ２から成る保護膜が形成されている。そして、この保護膜の形成においては、完全な絶縁性を得るために、ＰＶＤ法やＣＶＤ法との煩雑で時間のかかる方法が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
よって、発光素子の製造が煩雑となり、製造に時間がかかるという問題がある。又、高温で保護膜を形成する場合には、発光素子のエピタキャル成長層に悪影響を与え、素子特性が劣化したり、素子寿命が短くなるという問題がある。さらに、半導体発光素子に関しては、静電耐圧の向上が必要な課題となっている。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、素子特性を劣化させることなく、製造を容易にすると共に、静電耐圧を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、３族窒化物半導体から成る少なくともｐ層とｎ層とが積層され、上層の一部を除去して、下層の電流供給層の一部を露出させ、最上層及び前記電流供給層の露出部分に電極を形成した発光素子において、発光素子の表面上に、比抵抗０．１  Ωｃｍ〜１  ×１０５  Ωｃｍの保護膜を形成したことを特徴とする。０．１  Ωｃｍより小さいと、ｐ層とｎ層間の絶縁効果が低下するので望ましくなく、１  ×１０５  Ωｃｍより大きい場合には、高温で形成したり、ＰＶＤ、ＣＶＤ法等の煩雑な方法で形成する必要があると共に、逆方向の静電耐圧の向上の効果がなくなるので望ましくない。
【０００６】
ここで、保護膜は、望ましくは、金属アルコレート（Ｍ−ＯＲ）又は珪素化合物を有機溶剤又は水に溶かした溶液を塗布後、加熱乾燥して得られる膜であり、その厚さは、３００  Å〜３  μｍである。さらに、望ましくは、保護膜は、電極間の保護膜を通る経路の保護膜抵抗と電極間のｐ層とｎ層を通る駆動電流経路の素子抵抗との関係において、順方向電圧に対して、保護膜抵抗は素子抵抗よりも十分に大きく、逆方向電圧に対して、保護膜抵抗は素子抵抗よりも十分に小さくなるように形成されている。
【０００７】
【発明の作用及び効果】
保護膜を比抵抗０．１  Ωｃｍ〜１  ×１０５  Ωｃｍの範囲で形成している。このため、この保護膜は、ＰＶＤ、ＣＶＤ法等の煩雑な方法を用いずに、例えば、金属アルコレート（Ｍ−ＯＲ）又は珪素化合物を有機溶剤又は水に溶かした溶液を塗布後、加熱乾燥することで得られる。よって、製造が簡単となる。又、高温加熱が必要でないので、素子特性を劣化させ、素子寿命を短くすることが防止される。又、保護膜を比抵抗が０．１  Ωｃｍ〜１  ×１０５  Ωｃｍの範囲となるように形成することで、順方向電圧に対して、保護膜抵抗は素子抵抗よりも十分に大きく、逆方向電圧に対して、保護膜抵抗は素子抵抗よりも十分に小さくなるように形成できる。従って、この発光素子の逆方向の静電耐圧を向上させることができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１は本願実施例の発光素子１００  全体図を示す。発光素子１００  は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に０．０５μｍのＡｌＮ  バッファ層２が形成されている。
【０００９】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約４．０  μｍ、電子濃度２  ×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層３、膜厚約０．５  μｍの電子濃度５  ×１０１７／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮ  から成るｎ層４、膜厚約１００  ｎｍ，亜鉛（Ｚｎ）とシリコン（Ｓｉ）がそれぞれ、  ５×１０１８／ｃｍ３にドープされたＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ  から成る発光層５，膜厚約１００  ｎｍ，ホール濃度  ２×１０１７／ｃｍ３，  マグネシウム（Ｍｇ）  濃度  ５×１０１９／ｃｍ３ドープのＡｌ０．０９Ｇａ０．９２Ｎ  から成るｐ伝導型のクラッド層６、膜厚約２００  ｎｍ，ホール濃度  ３×１０１７／ｃｍ３のマグネシウム（Ｍｇ）  濃度  ５×１０１９／ｃｍ３ドープのＧａＮ  から成る第１コンタクト層７１、膜厚約５０ｎｍ，ホール濃度  ６×１０１７／ｃｍ３のマグネシウム（Ｍｇ）  濃度  １×１０２０／ｃｍ３ドープのＧａＮ  から成るｐ＋  の第２コンタクト層７２が形成されている。
【００１０】
そして、第２コンタクト層７２の上面全体にＮｉから成る厚さ２５Åの第１電極層８１が形成され、その第１電極層８１の上にＡｕから成る厚さ６０Åの第２電極層８２が形成されている。この第１電極層８１と第２電極層８２とでｐ型ＧａＮ  に対する電極層８が構成される。この電極層８は透明である。又、第２電極層８２の上面の隅の部分にＮｉから成る厚さ１０００Åの第１金属層９１、Ａｕから成る厚さ１．５  μｍの第２金属層９２、Ａｌから成る厚さ３００  Åの第３金属層９３が形成されている。この３重層により、電極パッド９が形成されている。一方、ｎ＋  層３上にはＡｌから成る電極パッド１０が形成されている。そして、電極パッド９と電極パッド１０のワイヤボンディングされる領域に窓９Ａと窓１０Ａが形成されたＳｉＯ２から成る保護膜１１が基板１の最上層上に形成されている。
【００１１】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光素子１００  は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）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（ＮＨ３）  、キャリアガス（Ｈ２）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）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（ＳｉＨ４）、ジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）（以下、「ＤＥＺ  」と記す）  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。
【００１２】
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、単結晶のサファイア基板１をＭ０ＶＰＥ  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を流速２  ｌｉｔｅｒ／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００１３】
次に、温度を  ４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を  １．８×１０−５モル／分で約９０秒間供給してＡｌＮ  のバッファ層２を約０．０５μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を  １．７×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ  に希釈されたシランを２０×１０−８モル／分で４０分導入し、膜厚約４．０  μｍ、電子濃度  １×１０１８／ｃｍ３、シリコン濃度  ４×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層３を形成した。
【００１４】
上記の高キャリア濃度ｎ＋  層３を形成した後、続いて温度を１１００°Ｃ  に保持し、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を  １．１２  ×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ  に希釈されたシランを１０×１０−９モル／分で３０分導入し、膜厚約５．０  μｍ、電子濃度  ５×１０１７／ｃｍ３、シリコン濃度  １×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成るｎ層４を形成した。
【００１５】
続いて、温度を８００  ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を０．２  ×１０−４モル／分、ＴＭＩ  を１．６  ×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ  に希釈されたシランを１０×１０−８ｍｏｌ／分で、ＤＥＺ  を  ２×１０−４モル／  分で、３０分間供給して厚さ１００ｎｍ  のシリコンと亜鉛が、それぞれ、  ５×１０１８／ｃｍ３にドープさたＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ  から成る発光層５を形成した。
【００１６】
続いて、温度を１１００℃に上げて、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、ＴＭＡ  を０．４７×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ  を２  ×１０−５モル／分で  ６分間導入し、膜厚約１００  ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ  から成るクラッド層６を形成した。クラッド層６のマグネシウム濃度は  ５×１０１９／ｃｍ３である。この状態では、クラッド層６は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１７】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ  を  ２×１０−５モル／分で  １分間導入し、膜厚約２００  ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ  から成る第１コンタクト層７１を形成した。第１コンタクト層７１のマグネシウム濃度は  ５×１０１９／ｃｍ３である。この状態では、第１コンタクト層７１は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１８】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ  を  ４×１０−５モル／分で３  分間導入し、膜厚約５０ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ  から成るｐ＋  の第２コンタクト層７２を形成した。第２コンタクト層７２のマグネシウム濃度は  １×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、第２コンタクト層７２は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１９】
次に、反射電子線回折装置を用いて、第２コンタクト層７２，第１コンタクト層７１，及びクラッド層６に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ＫＶ、資料電流１μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ  、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０  ×１０−５Ｔｏｒｒである。この電子線の照射により、第２コンタクト層７２，第１コンタクト層７１，クラッド層６は、それぞれ、ホール濃度  ６×１０１７／ｃｍ３，３×１０１７／ｃｍ３，２×１０１７／ｃｍ３、抵抗率  ２Ωｃｍ，  １  Ωｃｍ，０．７Ωｃｍのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
【００２０】
続いて、ｎ＋  層３の電極パッド１０を形成するために、第２コンタクト層７２、第１コンタクト層７１、クラッド層６、発光層５、ｎ層４の一部を、エッチングにより除去した。
【００２１】
次に、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にて、一様に、厚さ２５ÅにＮｉを蒸着し、続いて、厚さ６０ÅにＡｕを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、第２コンタクト層７２の上に第１電極層８１、第２電極層８２を形成した。これにより、Ｎｉ／Ａｕ  の透明な電極層８が形成された。そして、電極パッド９を形成する領域を除いて最上層の全面にレジストを塗布して、１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空にて、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌを、順次、厚さ、１０００Å、１．５  μｍ、３００  Åに蒸着した。その後、レジストをリフトオフすることで、必要な箇所に第１金属層９１、第２金属層９２、第３金属層９３を形成した。このようにして、３層構造の電極パッド９を形成した。一方、ｎ＋  層３に対しては、Ａｌを蒸着して電極パッド１０を形成した。
【００２２】
次に、上記の基板１を加熱炉に配設し、加熱炉の雰囲気を１ｍ  Ｔｏｒｒ以下にまで排気し、その後大気圧までＮ２で封入した。そして、その状態で雰囲気温度を４００  ℃〜７００  ℃の範囲の温度に設定して、数秒〜１０分程度、基板１を加熱した。
【００２３】
次に、上記のように形成された基板１の最上層の上に一様に、エチルシリケート（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）を主成分とする溶液を塗布した後、３００  〜４００  ℃の範囲で加熱して乾燥した。これにより、ＳｉＯ２から成る膜が５０００Åの厚さに形成された。その後、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、電極パッド９、電極パッド１０のワイヤボンディング領域に当たる部分のＳｉＯ２膜に窓９Ａ、窓１０Ａをドライエッチングにより形成した。このようにして、ＳｉＯ２から成る保護膜１１が形成された。
【００２４】
第３金属層９３のＡｌと保護膜１１のＳｉＯ２とは接合度が高いので、第３金属層９３と保護膜１１との間にエッチング液が浸透することが防止される。よって、保護膜１１のマスクされた部分はエッチングされないため、窓９Ａの側壁は垂直となる。この結果、保護膜１１は第１金属層９１、第２金属層９２、第３金属層９３の側面を完全に覆うことになり、保護膜として十分に機能する。
【００２５】
この保護膜１１の比抵抗は２  ×１０４  Ωｃｍであった。又、電極パッド９と電極パッド１０との間の抵抗は、順電圧に対して１６５  Ω、逆電圧に対して９０ｋΩであった。保護膜１１がない場合の逆電圧に対する抵抗が１７ＭΩであるので、逆電圧に対して保護膜１１を介して電流が流れるので、逆電圧に対する静電耐圧が向上するのが分かる。又、逆方向静電圧２０Ｖまで破壊されなかった。
【００２６】
尚、第３金属層９３は、保護膜１１に対する接合度が第２金属層９２の構成元素の金よりも強いものであれば良い。例えば、Ａｌの他、Ｎｉ、Ｔｉを用いることができる。保護膜１１は、上記のようにＳｉＯ２とする他、ＴｉＯ２，  ＺｎＳ，ＭｇＦ２，  ＺｒＯ，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４  等を用いることができる。これらの膜は透明である。
【００２７】
尚、上記の保護膜１１の厚さは、３００  Å〜３  μｍが望ましい。３００  Åより薄いと水分の侵入防止、傷付き防止等の保護膜としての機能が低下し、３  μｍより厚いと、透明性が損なわれるので望ましくない。
又、上記実施例では、発光ダイオードについて示したが、本発明をレーザダイオードにも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【符号の説明】
１０…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ＋  層
４…ｎ層
５…発光層
６１…ｐ層
６２…コンタクト層
７，８…電極
【図１】
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