(57)【要約】  本発明は、基板の上に発光構造を有する半導体層を形成するステップと、前記半導体層の上に接合層、反射層及び保護層を順次に積層するステップと、熱処理工程を行うことにより前記接合層と反射層との間にオーミック接合を形成し、前記保護層の少なくとも一部に酸化膜を形成してオーミック電極を形成するステップと、を含むオーミック電極の形成方法及びこれを用いた半導体発光素子に関する。このような本発明は、光反射度に優れたＡｇ、Ａｌ及びこれらの合金から反射層を形成することから、光利用率が向上する。また、半導体層と接合層との接触抵抗が小さなことから、高出力のための大電流を印加し易い。また、保護層が反射層の外部拡散を抑えることから、熱的安定性が高くなる。さらに、ＡｕやＰｔなどの高価な金属を用いることなく、高出力が可能であることから、製造コストが節減される。
2009534830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子のオーミック電極の形成方法において
基板の上に発光構造を有する半導体層を形成するステップと、
前記半導体層の上に接合層、反射層及び保護層を順次に積層するステップと、
熱処理工程を行うことにより前記接合層と反射層との間にオーミック接合を形成し、前記保護層の少なくとも一部に酸化膜を形成してオーミック電極を形成するステップと、を含むことを特徴とするオーミック電極の形成方法。
【請求項２】
前記オーミック電極を形成するステップにおいて、
前記熱処理工程時に接合層の少なくとも一部に酸化膜が形成されることを特徴とする請求項１に記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項３】
前記接合層は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐｂ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項４】
前記接合層は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項５】
前記反射層は、Ａｇ、Ａｌ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項６】
前記保護層は、Ｍｇ、またはＭｇとＡｌ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｙ、Ｕ、Ｔｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｓｂ、Ｐｕ、Ｐｂ、Ｐｒ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｍｎのうち少なくとも１種以上の物質から形成された合金を用いることを特徴とする請求項１記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項７】
前記熱処理工程は、２００〜５００℃の温度下で３０分以内で行うことを特徴とする請求項１記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項８】
前記熱処理工程は、酸素を含む雰囲気下で行うことを特徴とする請求項７に記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項９】
前記酸素を含む雰囲気は、酸素雰囲気、酸素と窒素との混合雰囲気及び酸素とアルゴンとの混合雰囲気のうち一つの雰囲気であることを特徴とする請求項８に記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項１０】
前記酸素を含む雰囲気の圧力は、大気圧以下であることを特徴とする請求項８に記載のオーミック電極の形成方法。
【請求項１１】
発光構造を有する半導体層と、
前記半導体層の上に順次に積層された接合層、反射層及び保護層を含むオーミック電極と、を含み、
前記接合層と前記半導体層との間にオーミック接合が形成され、前記保護層は少なくとも一部に形成された酸化膜を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
前記接合層は、少なくとも一部に形成された酸化膜を含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記接合層は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐｂ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記接合層は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記反射層は、Ａｇ、Ａｌ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記保護層は、Ｍｇ、またはＭｇとＡｌ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｙ、Ｕ、Ｔｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｓｂ、Ｐｕ、Ｐｂ、Ｐｒ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｍｎのうち少なくとも１種以上の物質から形成された合金を用いることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオーミック電極の形成方法及び半導体発光素子に係り、半導体層と外部配線との間の接続のために半導体層の上に形成されるオーミック電極の形成方法及びこれを用いた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子は小型化・軽量化に有利であり、低電力消耗及び長寿命を有し、しかも予熱時間及び駆動回路が不要である。また、衝撃及び振動に強く、種々の形でパッケージ化できることから、近い将来に大型液晶表示装置のバックライト、一般照明、自動車のヘッドライト用の光源に代えうることが期待されている。
【０００３】
特に、窒化物系の半導体発光素子は電子親和力、電子移動度、電子飽和速度及び電界破壊電圧特性に優れていることから高効率・高出力を実現することができ、砒素（Ａｓ）、水銀（Ｈｇ）などの有害物質を含んでいないことから、環境に優しい素子として多くの注目を受けている。
【０００４】
一般に、窒化物半導体発光素子は、サファイア基板の上に窒化物系のｎ型層、窒化物系の活性層、窒化物系のｐ型層を形成し、前記ｎ型層とｐ型層に電源を印加するために水平に両電極を配置して製造される。
【０００５】
この種の水平構造の発光素子は相対的に製造工程が単純であって安価ではあるが、高出力を実現するのに難点がある。すなわち、活性層から発せられた光が両電極において吸収されて外部に放出できないために高出力を実現することができず、しかも、サファイア基板は熱伝導率が低くて動作過程において発生した熱が効率よく放出できないために熱的安定性が低いという不都合があった。
【０００６】
これらの不都合を克服するために、垂直構造の発光素子及びフリップチップ型発光素子が提案されている。この場合、一方の電極に反射層を形成して活性層から発せられた光を外部に容易に放出することにより光利用率を高めることができ、サファイア基板に代えて熱伝導率の良い金属基板を用いることにより熱的安定性を高めることができる。
【０００７】
しかしながら、これまで開発されている窒化物半導体発光素子は高出力、発光効率、値段の側面から満足のいくレベルのものではなく、さらなる性能改善が求められているのが現状である。特に、既存の水銀灯や蛍光灯の代わりに白色光源として用いるためには、高出力及びこれによる熱的安定性の問題点を必ず克服しなければならない。
【０００８】
一方、より高出力を得るためには高い光反射度を有する電極の開発が先行している必要がある。光反射度の面からは、可視光線領域においてＡｌやＡｇ金属の方が優れているため、これらの金属を電極として用いると、優れた光出力特性が得られる。しかしながら、Ａｌは窒化物系の半導体層との接触抵抗が大きくて大電流を印加することが困難になるという問題点があり、Ａｇは接触抵抗は小さいものの、層間接着力に劣り、熱的安定性が低くて高温熱処理時に集塊や界面ボイドなどが形成されるという不都合があった。
【０００９】
これらの不都合により、水平構造の発光素子に用いられているＮｉ／Ａｕ系の電極が依然として用いられており、これにより、既存の白色光源に代えうるレベルの光出力を確保するのに限界があった。なお、従来の電極材料であるＡｕまたはＰｔは高価であるため、製造コストが高くなるという不都合があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、光反射度の優れたＡｇ、Ａｌを用いて反射層を形成し、下部に接合層を配設して接触抵抗を低減し、上部に保護層を配設して反射層の劣化現象を抑えることにより、低い接触抵抗、高い光反射度及び高い熱的安定性を同時に満足させるオーミック電極の形成方法及びこれを用いた半導体発光素子を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明によるオーミック電極の形成方法は、基板の上に発光構造を有する半導体層を形成するステップと、前記半導体層の上に接合層、反射層及び保護層を順次に積層するステップと、熱処理工程を行うことにより前記接合層と反射層との間にオーミック接合を形成し、前記保護層の少なくとも一部に酸化膜を形成してオーミック電極を形成するステップと、を含む。
【００１２】
前記オーミック電極を形成するステップにおいて、前記熱処理工程時に接合層の少なくとも一部に酸化膜が形成されることが好ましい。
前記接合層は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐｂ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることが好ましい。あるいは、前記接合層は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００１３】
前記反射層は、Ａｇ、Ａｌ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることが好ましい。
前記保護層は、Ｍｇ、またはＭｇとＡｌ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｙ、Ｕ、Ｔｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｓｂ、Ｐｕ、Ｐｂ、Ｐｒ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｍｎのうち少なくとも１種以上の物質から形成された合金を用いることが好ましい。
【００１４】
前記熱処理工程は、２００〜５００℃の温度下で３０分以内で行うことが好ましい。
前記熱処理工程は、酸素を含む雰囲気下で行うことが好ましい。
前記酸素を含む雰囲気は、酸素雰囲気、酸素と窒素との混合雰囲気及び酸素とアルゴンとの混合雰囲気のうち一つの雰囲気であることが好ましい。
【００１５】
前記酸素を含む雰囲気の圧力は、大気圧以下であることが好ましい。
上記の目的を達成するために、本発明による半導体発光素子は、発光構造を有する半導体層と、前記半導体層の上に順次に積層された接合層、反射層及び保護層を含むオーミック電極と、を含み、前記接合層と前記半導体層との間にオーミック接合が形成され、前記保護層は少なくとも一部に形成された酸化膜を含む。
【００１６】
前記接合層は、少なくとも一部に形成された酸化膜を含むことが好ましい。
前記接合層は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐｂ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることが好ましい。あるいは、前記接合層は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００１７】
前記反射層は、Ａｇ、Ａｌ及びこれらの合金のうち少なくとも１種を用いることが好ましい。
前記保護層は、Ｍｇ、またはＭｇとＡｌ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｙ、Ｕ、Ｔｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｓｂ、Ｐｕ、Ｐｂ、Ｐｒ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｍｎのうち少なくとも１種以上の物質から形成された合金を用いることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかし、本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、相異なる形で実現可能であり、これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持った者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。
【００１９】
図中、種々の層及び各領域を明確に表現するために厚さを拡大して表現し、図中、同じ符号は同じ要素を指すようにしている。なお、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上部に」あるいは「上に」あると表現される場合には、各部分が他の部分の「直ぐ上部」あるいは「直ぐ上に」ある場合だけではなく、各部分と他の部分との間にさらに他の部分がある場合も含む。
【００２０】
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態によるオーミック電極の形成方法を説明するための断面図である。
図１を参照すると、基板１０が用意されると、その上に所定の半導体層１００を形成する。
【００２１】
前記基板１０はサファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）基板、ガリウム砒素化物（ＧａＡｓ）基板またはガリウムリン化物（ｇａｌｌｉｕｍ ｐｈｏｐｈｉｄｅ；ＧａＰ）基板であることが好ましく、特に、サファイア基板を用いることがより好ましい。
【００２２】
前記半導体層１００は、Ｓｉ膜、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＩｎＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＡｌＩｎＧａＮ膜及びこれらを含む膜のうちから選ばれる少なくともいずれか１種が使用可能である。例えば、この実施形態においては、ＧａＮ膜にｎ型ドーパントを注入してｎ型層１１０を形成し、その上にバリア層としてのＧａＮ膜と井戸層としてのＩｎＧａＮ膜を交互に成長させて多重井戸構造の活性層１２０を形成し、さらにＧａＮ膜を成長させてｐ型ドーパントを注入してｐ型層１３０を形成している。このとき、前記基板１０とｎ型層１１０との間にはバッファ層（図示せず）がさらに形成されていてもよく、このバッファ層は基板１０とｎ型層１１０との間の格子不整合によるストレスを緩和させ、ｎ型層１１０の円滑な成長への一助となる。
【００２３】
前記半導体層１００には高品位の薄膜形成及び界面の接着力の向上を図る目的で表面処理を行ってもよい。好ましくは、王水水溶液（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝３：１）に前記半導体層１００を１〜３０分間浸漬した後に脱イオン水で洗浄し、窒素で乾燥する方式により表面処理を行ってもよく、また、塩酸（ＨＣＬ）と脱イオン水とが１：１の割合にて混合された溶液に１０秒〜１００秒間浸漬した後に乾燥する方式により表面処理を行ってもよい。
【００２４】
図２を参照すると、前記半導体層１００の上に接合層１４０、反射層１５０、保護層１６０を連続して積層する。
前記接合層１４０は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐｂ及びこれらの合金のうちから選ばれる少なくともいずれか１種を用いるか、あるいは、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びこれらの合金のうちから選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。また、前記反射層１５０は、Ａｇ、Ａｌ及びこれらの合金を用いることが好ましい。このとき、Ａｌ合金はＡｇ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｍｇを含んでいてもよく、Ａｇ合金はＡｌ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｍｇを含んでいてもよい。そして、前記保護層１６０は、ＭｇまたはＭｇとＡｌ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｙ、Ｕ、Ｔｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｓｂ、Ｐｕ、Ｐｂ、Ｐｒ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｍｎのうちから選ばれるいずれか１種の物質から形成された合金を用いることが好ましい。
【００２５】
このとき、接合層１４０は１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さに形成し、反射層１５０は５０ｎｍ〜３０００ｎｍの厚さに形成し、保護層１６０は１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さに形成して、合計の厚さは１００ｎｍ〜５０００ｎｍになるように形成することが好ましい。
【００２６】
この実施形態においては、Ｎｉ膜を１０ｎｍの厚さに蒸着して接合層１４０を形成し、Ａｇ膜を２００ｎｍの厚さに蒸着して反射層１５０を形成し、また、Ｍｇ膜を５０ｎｍの厚さに蒸着して保護層１６０を形成している。
【００２７】
図３を参照すると、オーミック電極２００は、Ｎｉ接合層、Ａｇ反射層、Ｍｇ保護層を熱処理してなるＮｉ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造を有する。
前記熱処理工程は酸素雰囲気、酸素と窒素との混合雰囲気及びアルゴンと酸素との混合雰囲気のうちいずれかの雰囲気下で行うことができる。特に、２００〜５００℃の酸素雰囲気下で約３０分間以内で熱処理することが好ましい。このような熱処理中には酸素が供給されるため、Ｎｉ接合層１７０とＭｇ保護層１９０は酸化され、これにより、Ａｇ反射層１８０を挟んで上下に酸化膜が配設されている構造、すなわち、ＮｉＯｘ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造を有するオーミック電極２００が形成される。
【００２８】
このとき、半導体層１００のＧａはＭｇＯｘへの溶解度が高くて拡散が大いに起こるため、半導体層１００とオーミック電極２００との間の界面にはＧａの空孔が多数存在することになり、これはアクセプターとして働く。このため、熱処理後のオーミック電極２００は強い接着力と低い接触抵抗を併せ持つことになる。
【００２９】
また、ＭｇＯｘ保護層１９０は酸素があまりにも大量に流入することを防いでＡｇの集塊を抑える。このため、前記オーミック電極２００はＡｇの界面平坦度が低下しないため、高い光反射度を有することになる。
【００３０】
また、ＭｇＯｘ保護層１９０は後続する熱処理に際して基板１０、半導体層１００、Ａｇ反射層１８０の外部拡散を防ぐことから、前記オーミック電極２００は優れた熱的安定性を有することになる。
【００３１】
以下、この実施形態によるオーミック電極の特性を調べるために実験例と比較例を挙げて説明する。前記実験例においては、半導体層、すなわち、ＧａＮの上にＮｉ、Ａｇ、Ｍｇ金属薄膜を積層した後、酸素雰囲気下で熱処理してなるＮｉＯｘ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造のオーミック電極を用いている。
【００３２】
図４は、この実験例によるオーミック電極の熱処理後のイオン−質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ−ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＳＩＭＳ）による深さ方向の分析結果を示す結果表である。前記実験例においては、約４５０℃の酸素雰囲気下で２分間熱処理してなるＮｉＯｘ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造のオーミック電極を用いている。
【００３３】
図４を参照すると、熱処理後に接合層のＮｉの一部がＮｉＯｘに替わっているものの、ほとんどＮｉ状態を維持していることが分かる。また、保護層のＭｇがＭｇＯｘに替わってＮｉ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造のオーミック電極が形成されていることが分かる。ここで、ＭｇとＯの深さ分布が同じであるということはＭｇＯｘの形成を意味し、Ｇａの外部拡散が極めて大きいということは酸素雰囲気下での熱処理後に半導体層とオーミック電極との間の界面にＧａ空孔がさらに多く生成可能であることを意味する。このようにして生成されたＧａ空孔はホールを生成するアクセプターの役割を果たすため、半導体層とオーミック電極との間の接触抵抗が大幅に減る。
【００３４】
図５は、本発明の実験例と比較例によるオーミック電極の電流−電圧特性を示すグラフである。図５のグラフ中、Ａ１〜Ａ５は実験例によるＮｉ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造のオーミック電極の電流−電圧特性を示すものであり、それぞれ熱処理温度を異ならせて実験した結果を示すものである。そして、Ｂは比較例によるＮｉ／Ａｕ構造のオーミック電極の電流−電圧特性を示すものである。
【００３５】
図５を参照すると、前記グラフのＡとＢを比較してみると、実験例によるオーミック電極の電流−電圧特性の方がなお一層優れていることが分かる。また、Ａ１〜Ａ５を比較してみると、概ね４００〜５００℃の温度下で熱処理を行う場合、電流−電圧特性が最も優れていることが分かる。この場合、接触抵抗を計算してみると、８×１０−６Ωｃｍ２と極めて小さな値である。
【００３６】
図６は、本発明の実験例と比較例によるオーミック電極の光反射率の特性を示すグラフである。図６のグラフ中、Ａは実験例によるＮｉ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造のオーミック電極の反射率を示すものであり、Ｂは比較例によるＮｉ／Ａｇ構造のオーミック電極の反射率を示すものである。
【００３７】
図６を参照すると、この実験例による多重層オーミック電極は４６０ｎｍ波長において９３％と極めて高い反射度を示している。これに対し、この比較例によるオーミック電極は７２％の低い反射度を示している。本発明のこのような結果は鏡の反射度である９６％に近づく極めて意味のある数値であり、熱処理過程においてＡｇの集塊及び界面ボイドが抑えられてＡｇの高い光反射特性がそのまま維持されているためである。
【００３８】
図７は、本発明の実験例と比較例によるオーミック電極の表面形状を示す走査顕微鏡写真である。図７Ａはこの比較例によるＮｉ／Ａｇオーミック電極の表面形状を示すものであり、図７Ｂはこの実験例によるＮｉ／Ａｇ／ＭｇＯｘオーミック電極の表面形状を示すものである。
【００３９】
図７Ａを参照すると、この比較例によるオーミック電極の表面は集塊及び界面ボイドにより極めて荒い表面状態を示している。これに対し、図７Ｂを参照すると、この実験例によるオーミック電極の表面は極めて滑らかな状態を示している。これは、表面に形成されているＭｇＯｘが熱処理時にＡｇ反射層に酸素があまりにも大量に流入することを防いでＡｇの集塊及び界面ボイドを抑えているためである。
【００４０】
このように、本発明によるオーミック電極は低い接触抵抗及び高い光反射度を実現することができ、熱的安定性に優れている。特に、大電流の印加による高出力発光が可能な構造、例えば、フリップチップ構造の半導体発光素子及び垂直構造の半導体発光素子に好適に用いることができ、この場合、極めて優れた発光特性を期待することができる。
【００４１】
以下、前記オーミック電極を用いた高出力半導体発光素子について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態によるフリップチップ構造の半導体発光素子を示す断面図である。
【００４２】
図８を参照すると、前記半導体発光素子は、ｎ型層１１０、活性層１２０、ｐ型層１３０からなる多層構造の半導体層２１０を含み、前記ｎ型層１１０の所定の領域に形成されているｎ型電極２２０と、前記ｐ型層１３０の上部に形成されているｐ型電極２３０と、を含み、バンプ２４１、２４２を用いて前記両電極２２０、２３０に接続されているサブマウント基板２４０及び前記ｎ型層１１０の下部に形成されている電流拡散層２５０を含む。
【００４３】
前記ｎ型層１１０、活性層１２０、ｐ型層１３０は、Ｓｉ膜、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＩｎＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＡｌＩｎＧａＮ膜及びこれらを含む膜のうち少なくともいずれか１種の膜を蒸着してなる。
【００４４】
前記ｎ型層１１０とｐ型層１３０のそれぞれは半導体薄膜にｎ型またはｐ型不純物を注入してなる。このとき、ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどを用いることができ、ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃなどを用いることができる。
【００４５】
前記活性層１２０は井戸層とバリア層を交互に積層して形成した単一または多重量子井戸構造を有する多層の半導体薄膜であり、所定の波長の光を発する発光層として働く。
この実施形態においては、ＧａＮ薄膜を成長させてｎ型ドーパントを注入してｎ型層１１０を形成し、その上にバリア層としてのＧａＮ薄膜と井戸層としてのＩｎＧａＮ薄膜を交互に成長させて多重井戸構造の活性層１２０を形成し、その上にさらにＧａＮ薄膜を成長させてｐ型ドーパントを注入してｐ型層１３０を形成することが好ましい。
【００４６】
前記ｎ型電極２２０としては、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ及びこれらを含む合金のうち少なくともいずれか１種の金属を用いる。もちろん、前記ｎ型電極２２０として複数層の金属膜を用いることもできる。
【００４７】
前記ｐ型電極２３０は接合層１７０、反射層１８０、保護層１９０を含む。すなわち、上述した実施形態において説明したオーミック電極を用いることが好ましい。これにより、ｐ型層１３０と接合層１７０との間の接着力が向上し、その間の界面を平坦化させて反射層１８０の光反射効率を極大化させることができる。また、反射層１８０が保護層１９０に覆われて保護されることから、後続する熱処理工程及び動作過程において発生した熱による反射層１８０の劣化が防がれる。
【００４８】
前記電流拡散層２５０はｎ型電極２２０に印加される電流をｎ型層１１０に一様に拡散させ、ｎ型層１１０を介して伝わる熱を効率よく放出することから、半導体発光素子の高出力及び信頼性を高める。
【００４９】
以下、かかる構成を有する半導体発光素子の製造方法を説明する。
母体基板（図示せず）の上にｎ型層１１０、活性層１２０及びｐ型層１３０を順次に積層した後、所定のマスクを用いたパターニング工程を行い個々のセルに分離する。次いで、前記ｐ型層１３０の上に接合層１１０、反射層１２０及び保護層１３０をさらに積層した後、酸素雰囲気下で熱処理すると、上下に形成された酸化膜により前記反射層１８０の外部拡散が抑えられ、その結果、低い接触抵抗及び高い光反射度を有するｐ型電極２３０が形成される。この後、エキシマレーザを用いたリフトオフ工程を行うことにより母体基板を除去し、母体基板の下部に電流拡散層２５０を形成する。このとき、電流拡散層２５０は印加電流をｎ型層１１０に拡散させ、生成された光が外部に出力される出射面の一部となるため、導電性及び透光性に優れた物質から形成することが好ましい。この後、バンプ２４１、２４２を用いて両電極２２０、２３０とサブマウント基板２４０を接続すると、上述した構造の半導体発光素子を製作することができる。
【００５０】
以下、かかる構成を有する半導体発光素子の動作過程を説明する。
両電極２２０、２３０に電源が印加されると、活性層１２０にはｐ型層１３０から正孔が注入され、ｎ型層１１０から電子が注入される。活性層１２０に注入された正孔と電子は結合または再結合しながら励起エネルギーを光として放射し、出射面である電流拡散層２５０を介して外部に放出される。このとき、活性層１２０の上部、すなわち、ｐ型層１３０に発せられた光は反射層１８０を有するｐ型電極２３０により反射されて出射面２５０を介して外部に放出されるので、光の利用率が高くなる。
【００５１】
図９は、本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子を示す断面図である。
図９を参照すると、前記半導体発光素子は、ｎ型層１１０、活性層１２０、ｐ型層１３０からなる多層構造の半導体層３１０を含み、前記ｎ型層１１０の上部に形成されているｎ型電極３２０と、前記ｐ型層１３０の下部に形成されているｐ型電極３３０と、を含む。ここで、前記ｐ型電極３３０は、接合層１７０、反射層１８０、保護層１９０を含む。すなわち、上述した実施形態において説明したオーミック電極を用いることが好ましい。
【００５２】
以下、かかる構成を有する半導体発光素子の製造工程を説明する。
母体基板（図示せず）の上にｎ型層１１０、活性層１２０及びｐ型層１３０を順次に積層して多層構造の半導体層３１０を形成し、所定のマスクを用いたパターニング工程を行い個々のセルに分離する。次いで、前記ｐ型層１３０の上に接合層１７０、反射層１８０、保護層１９０をさらに積層した後、酸素雰囲気下で熱処理すると、上下に形成された酸化膜により前記反射層１８０の外部拡散が抑えられ、その結果、低い接触抵抗及び高い光反射度を有するｐ型電極３３０が形成される。次いで、母体基板の下部にエキシマレーザーを照射してｎ型層１１０に取り付けられている基板を取り外すリフトオフ工程を行い、基板の外されたｎ型層１１０の上にｎ型電極３２０を形成すると、上述した構造の半導体発光素子が製作される。
【００５３】
上述したように、本発明によるオーミック電極は、接合層、反射層、保護膜を積層した後に熱処理して前記接合層及び前記反射層に酸化膜を形成し、これと同時に前記酸化膜を介して前記反射層の外部拡散を抑えて形成する。また、接合層は半導体層との接触抵抗を低減させる。このため、反射度の優れたＡｇ、Ａｌを用いることができ、これにより、光の利用率を高めて半導体発光素子の光出力を高めることができる。
【００５４】
図１０は、本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子のｐ型電極構造による電気発光スペクトルを示すグラフである。図１０のＡは本発明によるｐ型電極としてＮｉ／Ａｇ／ＭｇＯｘを用いたものであり、Ｂは本発明の比較例によるｐ型電極としてＮｉ／Ａｕを用いたものである。
【００５５】
図１０を参照すると、ｐ型電極としてＮｉ／Ａｇ／ＭｇＯｘを用いる場合には比較例のＮｉ／Ａｕを用いる場合に比べて光の強度が２．５〜３倍程度に極めて大幅に増大されることが分かる。そして、この実施形態による垂直構造の半導体発光素子の場合、２０ｍＡの印加電流における素子の作動電圧が３．１Ｖと極めて低かった。一方、前記実験によるグラフにおいては、接合層としてＮｉ、反射層としてＡｇ、保護層としてＭｇを用いていたが、上述した実施形態の他の金属を用いても前記実験によるグラフに類似する結果が得られる。
【００５６】
一方、上述した第１、第２、第３の実施形態においては、Ａｇ反射層の上下に酸化膜が形成されたＮｉＯｘ／Ａｇ／ＭｇＯｘ構造のオーミック電極を説明したが、熱処理条件に応じて、酸化膜はＮｉ接合層及びＭｇ保護層の一部にのみ形成されてもよいことから、本発明のオーミック電極はＮｉ／ＮｉＯｘ／Ａｇ／ＭｇＯｘ、ＮｉＯｘ／Ａｇ／Ｍｇ／ＭｇＯｘ構造をいずれも含むことができ、この場合にも類似する効果を期待することができる。
【００５７】
以上、上述した実施形態は例示の目的のために開示されたものであり、当業者であれば、本発明の技術的な思想から逸脱しない範囲において種々の変更、改良、代替及び付加などの修正が可能であることが理解できるであろう。よって、本発明の技術的な範囲は特許請求の範囲により定められる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上述べたように、本発明は、接合層、反射層、保護膜を積層した後に熱処理して前記接合層及び前記反射層に酸化膜を形成し、これと同時に前記酸化膜により反射層の外部拡散を抑えてオーミック電極を形成する。これにより、下記の効果が得られる。
【００５９】
まず、光反射度に優れたＡｇ、Ａｌ及びこれらの合金から反射層を形成することから、光利用率が向上する。また、半導体層と接合層との接触抵抗が小さなことから、高出力のための大電流を印加し易い。また、保護層が反射層の外部拡散を抑えることから、熱的安定性が高くなる。さらに、既存のＡｕやＰｔなどの高価な金属を用いることなく、高出力が可能であることから、製造コストが節減される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態によるオーミック電極の形成方法を説明するための断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態によるオーミック電極の形成方法を説明するための断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態によるオーミック電極の形成方法を説明するための断面図。
【図４】この実験例によるオーミック電極の熱処理後のイオン−質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ−ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＳＩＭＳ）による深さ方向の分析結果を示す結果表。
【図５】本発明の実験例及び比較例によるオーミック電極の電流−電圧特性を示すグラフ。
【図６】本発明の実験例及び比較例によるオーミック電極の光反射率特性を示すグラフ。
【図７】本発明の実験例及び比較例によるオーミック電極の表面形状を示す走査顕微鏡写真。
【図８】本発明の第２の実施形態によるフリップチップ構造の半導体発光素子を示す断面図。
【図９】本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子を示す断面図。
【図１０】本発明の第３の実施形態による垂直構造の半導体発光素子のｐ型電極構造による電気発光スペクトルを示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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