(57)【要約】【課題】電極金属の酸化による特性劣化を抑止し、接触抵抗が低く信頼性に優れた発光ダイオード素子の電極及び発光ダイオード素子を提供する。【解決手段】このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０の電極７，８は、酸化を防止するＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂが表面に形成され、このＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９ＢがＡｕパッド電極層７ｂ，Ａｌパッド電極層８ｂおよびＮｉオーミック電極層７ａ，Ｔｉオーミック電極層８ａを覆っている。したがって、Ｎｉオーミック電極層７ａ，Ｔｉオーミック電極層８ａやＡｕパッド電極層７ｂ，Ａｌパッド電極層８ｂを構成する電極材料として、酸化され易くて不導体化し易い金属を用いても、劣化を生じにくい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーミック電極層とこのオーミック電極層に積層したパッド電極層とを少なくとも備え、
少なくとも上記パッド電極層を覆って酸化を防止する保護膜を備えたことを特徴とする発光ダイオード素子の電極。
【請求項２】
請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記オーミック電極層が透光性を有することを特徴とする発光ダイオード素子の電極。
【請求項３】
請求項２に記載の発光ダイオード素子の電極を備え、
ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体を備えたことを特徴とする発光ダイオード素子。
【請求項４】
請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。
【請求項５】
請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌを含んでいることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。
【請求項６】
請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記パッド電極層の厚さが５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にあることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。
【請求項７】
請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記保護膜の厚さが１ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。
【請求項８】
請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極を備え、
上記電極がｎ型電極であり、上記電極の上記オーミック電極層が、ＴｉまたはＡｌの少なくとも一方を含む積層膜あるいはＴｉまたはＡｌの少なくとも一方を含む合金であり、
ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体を備えたことを特徴とする発光ダイオード素子。
【請求項９】
請求項８に記載の発光ダイオード素子において、
上記オーミック電極層がＡｌを含み、上記パッド電極層がＡｕを含まないことを特徴とする発光ダイオード素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記保護膜が窒化物であるか、もしくは、上記保護膜がＡｕを含まない金属薄膜であることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、接触抵抗が低く信頼性に優れた発光ダイオード素子の電極および発光ダイオード素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フルカラーディスプレイ等の表示素子や種々の光源として広範囲に利用される高輝度な発光ダイオード素子は、その産業利用の用途や範囲が年々拡大している。
【０００３】
中でも、青色〜紫外域のみならず、赤色を含めた可視光全域をカバーできる発光材料として、ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物および酸化亜鉛系半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。
【０００４】
特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価であり、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。したがって、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用すれば、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００５】
なお、以下において、ＩＩＩ族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶を含めるものとし、酸化亜鉛系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【０００６】
ところで、キャリア注入型の発光デバイスにおいては、電流の出入口となる電極の特性が重要であり、接触抵抗が低いことの他、密着性や信頼性に優れていることが求められる。
【０００７】
ＩＩＩ族窒化物半導体のｎ型オーミック電極材料としては、特許第２７８３３４９号公報に開示されているように、Ｔｉ、Ａｌなどが適しており、またｐ型電極材料としては、特許第２７７８３４９号公報に開示されているように、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔなどが適している。
【０００８】
酸化亜鉛系半導体についても、ｎ型オーミック電極材料としては、国際公開ＷＯ００／１６４１１号のパンフレットに開示されているように、Ｔｉ、Ａｌなどが適しており、また、ｐ型オーミック電極材料としては、特開２００１−１６８３９２号公報に開示されているように、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどが適している。
【０００９】
【特許文献１】
特許第２７８３３４９号公報
【特許文献２】
特許第２７７８３４９号公報
【特許文献３】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【特許文献４】
特開２００１−１６８３９２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の電極材料の中には、酸化されることによって不導体化し、接触抵抗の増大や密着性および信頼性に著しい低下を生じるものがある。ｎ型電極材料であるＡｌはその典型的な例であり、安価で薄膜形成が容易である一方、酸化によって絶縁体であるＡｌ２Ｏ３に変化し易く、素子の動作電圧が増大したり、ボンディングワイヤの密着性が低下したり電極剥れが生じやすい。
【００１１】
この問題が、ＩＩＩ族窒化物半導体ダイオード素子あるいは酸化亜鉛系半導体ダイオード素子の信頼性を著しく阻害していた。
【００１２】
そこで、この発明の目的は、以上の課題に鑑み、電極金属の酸化による特性劣化を抑止し、接触抵抗が低く信頼性に優れた発光ダイオード素子の電極及び発光ダイオード素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、酸化され易い金属を電極材料に用いても、接触抵抗の増大を抑止して密着性および信頼性を損なうことの無い発光ダイオード素子の電極構造について鋭意検討した結果、電極層表面に酸化防止効果を有する保護膜を形成することで、目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１４】
すなわち、この発明の発光ダイオード素子の電極は、オーミック電極層とこのオーミック電極層に積層したパッド電極層とを少なくとも備え、
少なくとも上記パッド電極層を覆って酸化を防止する保護膜を備えたことを特徴としている。
【００１５】
この発明の発光ダイオード素子の電極では、少なくとも上記パッド電極層を覆い、酸化を防止する保護膜が形成されているから、オーミック電極層やパッド電極層を構成する電極材料として、Ａｌ等の酸化され易くて不導体化し易い金属を用いても、オーミック電極層やパッド電極層の劣化を生じにくい。このことにより、パッド電極層へのボンディングワイヤの密着性を損うことが無く、接触抵抗を低減できる。また、通電による電極の劣化を防止することができ、発光ダイオード素子の信頼性が向上する。
【００１６】
なお、上記オーミック電極層と上記パッド電極層は、同じ材料で構成されていてもよいが、上記オーミック電極層と上記パッド電極層とを異なる材料で構成して、上記オーミック電極層と上記パッド電極層とに異なる機能を独立して付与することが好ましい。一例として、上記オーミック電極層に対しては接触抵抗を低減する機能を付与するような材料で構成し、一方、上記パッド電極層に対しては電極の密着性および実装時の利便性を向上させる機能を付与するような材料で構成すれば、保護膜による酸化防止によって得られる本発明の効果が顕著となる。
【００１７】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記オーミック電極層が透光性を有する。
【００１８】
この実施形態では、上記オーミック電極層が透光性を有するから、上記オーミック電極層を発光ダイオード素子の主表面の全面に形成して電流広がりを補った場合でも、高い光取り出し効率を維持できる。
【００１９】
また、一実施形態の発光ダイオード素子は、上記発光ダイオード素子の電極を備え、上記オーミック電極層が透光性を有し、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体を備えた。
【００２０】
この実施形態の発光ダイオード素子では、上記オーミック電極層が透光性を有するから、上記オーミック電極を発光ダイオード素子の主表面の全面に形成して電流広がりを補った場合でも、高い光取り出し効率を維持できる。したがって、この実施形態のように、低抵抗なｐ型層が得られにくいＩＩＩ族窒化物半導体や酸化亜鉛系半導体で構成されている発光ダイオード素子では、特に有用となる。
【００２１】
なお、オーミック電極層が透光性を有するようにするには、層厚を薄く形成すればよい。しかし、薄いオーミック電極層を酸化され易い金属で作製する場合、製造工程中あるいは通電中に凝集を起し易く、信頼性に乏しい。
【００２２】
しかし、この実施形態では、電極の表面に酸化を防止する保護膜が形成されているので、上述のような薄くて透光性を有する薄層であっても凝集が起りにくく、発光ダイオード素子の信頼性を格段に向上できる。
【００２３】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にある。
【００２４】
この実施形態の発光ダイオード素子の電極では、上記オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあることによって、透光性に優れると共に、十分に低抵抗なオーミック接触が得られる。すなわち、上記オーミック電極層の厚さが５ｎｍを下回ると、十分に低抵抗なオーミック接触が得られにくく、一方、上記厚さが１００ｎｍを上回ると、透光性に優れる特性が損なわれる。
【００２５】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌを含んでいる。
【００２６】
この実施形態の発光ダイオード素子の電極では、上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌを含んでいるから、ボンディング時に剥がれを生じにくく、十分な密着性が得られる。特に、上記パッド電極層を、Ａｌで作製した場合、Ａｌは酸化され易いため、酸化され易いパッド電極層となるが、この実施形態では、酸化を防止する保護膜が表面に形成されているので、パッド電極層の酸化を防止でき、信頼性が格段に向上する。
【００２７】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記パッド電極層の厚さが５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にある。
【００２８】
この実施形態では、上記パッド電極層の厚さが５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にあるから、ボンディング時の耐久性に優れると共に、コストと歩留まりを向上させることができる。すなわち、上記パッド電極層の厚さが５０ｎｍを下回ると、ボンディング時の耐久性が不足し、上記パッド電極層の厚さが１μｍを上回ると、コスト上昇と歩留まり低下を招く。
【００２９】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記保護膜の厚さが１ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲にある。
【００３０】
この実施形態では、上記保護膜の厚さが１ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲にあるから、透光性に優れると共に、十分な酸化防止効果が得られる。すなわち、上記保護膜の厚さが１ｎｍを下回ると、十分な酸化防止効果が得られず、上記保護膜の厚さが５０ｎｍを上回ると、透光性が十分でなくなる。
【００３１】
好ましくは、上記保護膜の厚さが、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲にあれば、ワイヤボンディングの際に、上記保護膜を破って下地のパッド電極層にボンディングできるため、上記保護膜の穴開けなどの加工を施す必要が無く、プロセス簡便性に優れる。
【００３２】
また、一実施形態の発光ダイオード素子は、上記発光ダイオード素子の電極を備え、上記電極がｎ型電極であり、上記電極の上記オーミック電極層が、ＴｉまたはＡｌの少なくとも一方を含む積層膜あるいはＴｉまたはＡｌの少なくとも一方を含む合金であり、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体を備えた。
【００３３】
この実施形態の発光ダイオード素子では、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体を備えた。ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体のｎ型電極の上記オーミック電極層としては、ＴｉやＡｌを含む積層膜あるいは合金が最も低抵抗かつ低コストである。
【００３４】
なお、Ａｌは特に酸化され易いため、上記オーミック電極層がＡｌを含んでいる場合、表面に酸化を防止する保護膜を形成したことによって、信頼性が格段に向上する。
【００３５】
また、一実施形態の発光ダイオード素子は、上記オーミック電極層がＡｌを含み、上記パッド電極層がＡｕを含まない。
【００３６】
この実施形態の発光ダイオード素子では、上記パッド電極層がＡｕを含まない。また、この実施形態では、発光ダイオード素子がＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体を備える。このＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体を備える発光ダイオード素子において、ｎ型電極のオーミック電極層がＡｌを含む場合、パッド電極がＡｕを含まない構成によって、Ａｌ／Ａｕ合金の形成による素子抵抗増大や機械強度の低下を抑止でき、省電力性と信頼性に優れる。
【００３７】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記保護膜が窒化物であるか、もしくは、上記保護膜がＡｕを含まない金属薄膜である。
【００３８】
この実施形態の発光ダイオード素子の電極では、上記保護膜が窒化物である場合には、窒化物は構成元素に酸素を含まないので、この保護膜と接する電極層に酸化され易い金属を用いても、上記電極に劣化を生じさせることが無い。また、上記保護膜がＡｕを含まない金属薄膜である場合には、この保護膜自身が導電性を有するので、素子抵抗の低減を図れ、省電力性に優れる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態に基いて詳細に説明する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
図１に、この発明の発光ダイオード素子の第１実施形態を示す。この第１実施形態は、ＩＩＩ族窒化物系半導体を備えたＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０であり、このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が有するｐ型電極７，ｎ型電極８が、この発明の発光ダイオード素子の電極の実施形態をなす。図１は、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０の構造断面図である。
【００４１】
この第１実施形態の発光ダイオード素子１０は、Ｃ面（０００１）を主面とするサファイア基板１上に、順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ノンドープＩｎＧａＮ量子井戸発光層４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ型ＧａＮコンタクト層６、ｐ型電極７が積層されている。
【００４２】
ｐ型電極７は、Ｎｉ透光性オーミック電極層７ａとＡｕパッド電極層７ｂを有する。このＮｉ透光性オーミック電極層７ａは、厚さが１５ｎｍであり、ｐ型ＧａＮコンタクト層６の主表面の全面に形成されている。また、Ａｕパッド電極層７ｂは、厚さが５００ｎｍであり、Ｎｉ透光性オーミック電極層７ａの中央部上に形成されている。なお、Ｎｉ透光性オーミック電極層７ａは、Ｎｉで作製され、Ａｕパッド電極層７ｂはＡｕで作製されている。
【００４３】
図１に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３からｐ型ＧａＮコンタクト層６に至るエピタキシャル層の一部および、Ｎｉ透光性オーミック電極層７ａの一部はエッチングによって除去され、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層２上には、ｎ型電極８が形成されている。
【００４４】
このｎ型電極８は、厚さ１５ｎｍのＴｉ透光性オーミック電極層８ａおよび厚さ５００ｎｍのＡｌパッド電極層８ｂを有している。Ａｌパッド電極層８ｂは、Ｔｉ透光性オーミック電極層８ａ上に積層されている。なお、上記Ｔｉ透光性オーミック電極層８ａはＴｉで作製され、Ａｌパッド電極層８ｂはＡｌで作製されている。
【００４５】
また、上記ｐ型電極７は、厚さ５ｎｍのＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａを有し、表面の全面が、このＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａで覆われている。また、ｎ型電極８は、厚さ５ｎｍのＳｉ３Ｎ４保護膜９Ｂを有し、表面の全面が、このＳｉ３Ｎ４保護膜９Ｂで覆われている。上記Ｓｉ３Ｎ４保護膜９ＡとＳｉ３Ｎ４保護膜９ＢはＳｉ３Ｎ４で作製されている。
【００４６】
この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０では、ｐ型電極７において、Ｎｉ透光性オーミック電極層７ａの上面の全面が、酸化を防止するＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａで覆われ、Ａｕパッド電極層７ｂの表面の全面が、上記Ｓｉ３Ｎ４保護膜で覆われている。また、上記ｎ型電極８において、Ｔｉ透光性オーミック電極層８ａの表面の全面およびＡｌパッド電極層８ｂの表面の全面がＳｉ３Ｎ４保護膜９Ｂで覆われている。
【００４７】
この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０は、結晶成長を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で行い、ｐ型電極７とｎ型電極８およびＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂを電子ビーム蒸着によって形成した。
【００４８】
こうして形成した積層体をチップ状に分離して、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０とした。このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が有するＡｕパッド電極層７ｂを、５０μｍ径のＡｕ線でリードフレーム（図示しない）の一方の部分にボンディングし、Ａｌパッド電極層８ｂを５０μｍ径のＡｌ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。
【００４９】
このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０に電流を流したところ、３．１Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００５０】
一方、この第１実施形態に対する比較例１として、ｐ型電極７，ｎ型電極８の表面にＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂを形成しない点だけが、この第１実施形態と異なるＩｎＧａＮ発光ダイオード素子を作製した。
【００５１】
また、比較例２として、ｐ型電極７にＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａを形成したが、ｎ型電極８にＳｉ３Ｎ４保護膜９Ｂを形成しない点だけが、この第１実施形態と異なるＩｎＧａＮ発光ダイオード素子を作製した。
【００５２】
また、比較例３として、ｎ型電極８にＳｉ３Ｎ４保護膜９Ｂを形成したが、ｐ型電極７にＳｉ３Ｎ４保護膜９Ａを形成しない点だけが、この第１実施形態と異なるＩｎＧａＮ発光ダイオード素子を作製した。
【００５３】
この第１実施形態、比較例１、比較例２および比較例３の発光ダイオード素子について、信頼性試験を行ったところ、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が５０００時間の素子寿命であったのに対し、比較例１、比較例２および比較例３の素子寿命は、各々１００時間、５００時間および４５００時間であった。
【００５４】
なお、上記信頼性試験における素子寿命は、温度６０℃の酸素雰囲気中において、動作電流６０ｍＡで発光ダイオード素子を駆動し、動作電圧が初期値より２０％増加した時間で定義している。
【００５５】
上記信頼性試験の結果から、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が備えたｐ型電極７，ｎ型電極８は、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂを形成しない電極を備えた比較例１の発光ダイオード素子に比べて、信頼性が極めて高くなっている。また、比較例１と比較例３とを比較すれば明らかなように、特に酸化され易いＡｌを含むｎ型電極８に、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ｂを形成した比較例３は、比較例１に比べて、信頼性試験における寿命が飛躍的に増加し、信頼性が大幅に向上したことが確認された。
【００５６】
次に、図２に、上記第１実施形態において、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂの厚さを変えたＩｎＧａＮ発光ダイオード素子を作製して、発光強度と上記信頼性試験における素子寿命の関係を調べた結果を示す。図２において、曲線ＳＡは発光強度を表し、曲線ＳＢは素子寿命を表している。
【００５７】
図２から分かるように、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂの厚さは、５０ｎｍ以下であれば、発光を十分透過して高い光取り出し効率が得られる一方、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂの厚さが、５０ｎｍを越えると、発光を十分に透過しなくなって発光強度が急落する。また、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂの厚さが１ｎｍ未満では、酸化雰囲気からの保護効果が乏しく、素子寿命が低いことがわかる。
【００５８】
さらに、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂの厚さが１０ｎｍ以下であれば、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂをエッチング加工して、Ａｕパッド電極層７ｂ，Ａｌパッド電極層８ｂを露出させなくても、ワイヤボンディングの際に、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂを破って、ワイヤをパッド電極層７ｂ，８ｂにボンディングでき、発光ダイオード素子の製造プロセスが簡略化されることが分かった。
【００５９】
以上の結果より、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂの厚さは、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあることが好ましく、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲にあることが更に好ましい。
【００６０】
また、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂを作製する保護膜材料としては、Ｓｉ３Ｎ４のごとく、酸化雰囲気中でも安定な絶縁体が好ましく、特に、酸素を構成元素に持たない窒化物が好ましい。例えば、保護膜として、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂに替えて、ＳｉＯ２で作製したＳｉＯ２保護膜を採用した場合にも、オーミック電極層７ａ，８ａやパッド電極層７ｂ，８ｂの酸化を防止するという効果は十分発揮されるが、この第１実施形態のように、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９Ａ，９Ｂを採用した場合の方が、さらに信頼性が高くなり好ましい。
【００６１】
なお、この第１実施形態では、図１に示すように、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９ＡとＳｉ３Ｎ４保護膜９Ｂは、ｐ型電極７とｎ型電極８とに分離されているが、Ｓｉ３Ｎ４保護膜９ＡとＳｉ３Ｎ４保護膜９Ｂの如く、保護膜の材料が絶縁体であれば一体となるよう連続して形成されていてもよい。
【００６２】
また、Ｎｉオーミック電極層７ａ，Ｔｉオーミック電極層８ａについては、５ｎｍ以上の厚さを有すれば、十分に低抵抗なオーミック接触が得られる。ただし、この第１実施形態において示したように、ｐ型層（ｐ型ＧａＮコンタクト層６）の低抵抗化が困難で十分な電流広がりが得られない場合には、Ｎｉオーミック電極層７ａが透光性を有するように、Ｎｉオーミック電極層７ａの厚さを１００ｎｍ以下に形成することが好ましい。
【００６３】
また、この第１実施形態では、Ａｕパッド電極７ｂ，Ａｌパッド電極８ｂについては、ワイヤボンディングの密着性が高いＡｕあるいはＡｌを用いたから、ボンディング時に剥がれを生じにくい。特に、この第１実施形態のように、ワイヤボンディングの線材と同じ材料で、Ａｕパッド電極７ｂ，Ａｌパッド電極８ｂを構成すれば、それぞれ、ワイヤボンディングの線材との親和性が高くなり好ましい。なお、ｐ型電極７が有するＡｕパッド電極層７ｂは、仕事関数の大きいＡｕで作製したから、Ａｕパッド電極層７ｂからのＡｕがｐ型半導体（ｐ型ＧａＮコンタクト層６）中に拡散しても素子抵抗が増大しないので好ましい。一方、ｎ型電極８が有するＡｌパッド電極層８ｂは、オーミック電極材料として用いられるＡｌで作製することが好ましい。
【００６４】
これに対し、この第１実施形態と異なり、ｐ型電極７がＡｕパッド電極層７ｂに替えて、Ａｌパッド電極層を備える場合や、ｎ型電極８がＡｌパッド電極層８ｂに替えて、Ａｕパッド電極層を備える場合は、各電極の接触抵抗が若干増大するため、接触抵抗を低減できるという効果を最大限には得られない。また、ＡｕおよびＡｌを積層あるいは合金化してパッド電極層とすると、接触抵抗の増大に加えて電極の機械強度が著しく低下するので好ましくない。
【００６５】
また、この第１実施形態では、パッド電極層７ｂ，８ｂの厚さは、５０ｎｍ以上であれば十分な密着性を有し、ワイヤボンディングによって剥れを生じることはない。しかし、パッド電極層７ｂ，８ｂの厚さが厚すぎると、高コストになるばかりでなく、パターン加工などを行う際の歩留りが低下するので、１μｍ以下であることが好ましい。
【００６６】
また、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０は、ＭＢＥ法によって結晶成長を行ったが、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法によっても作製することができる。
【００６７】
また、この第１実施形態のｐ型電極７，ｎ型電極８および保護膜９Ａ，９Ｂの形成は電子ビーム蒸着法によって行ったが、スパッタリング法やレーザアブーション法およびこれらの薄膜形成法を混合して用いてもよい。
【００６８】
この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０は、基板としてサファイア基板１を備えたが、サファイア基板に替えて、ＧａＮ基板や、ＺｎＯ、スピネル（尖晶石（ｓｐｉｎｅｌ））、Ｓｉなどを用いてもよい。この場合でも、電極は接触抵抗を低減できるという効果を奏する。また、研磨やエッチングなどの公知の手法で基板裏面に凹凸を形成すれば光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００６９】
（第２の実施の形態）
次に、図３に、この発明の発光ダイオード素子の第２実施形態を示す。この第２実施形態は、酸化亜鉛系半導体を備えたＺｎＯ発光ダイオード素子２０であり、このＺｎＯ発光ダイオード素子２０が有するｐ型電極１６が、この発明の発光ダイオード素子の電極の実施形態をなす。図３は、この第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子２０の構造断面図である。
【００７０】
この第２実施形態の発光ダイオード素子２０は、Ｚｎ面（０００１）を主面とするｎ型ＺｎＯ基板１１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１２、ノンドープＭｇＺｎＯ／ＺｎＯ量子井戸発光層１３、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１５およびｐ型電極１６が順に積層されている。
【００７１】
ｐ型電極１６は、Ｎｉ透光性オーミック電極層１６ａとＡｕパッド電極層１６ｂ、およびＳｉ３Ｎ４保護膜１９を有する。Ｎｉ透光性オーミック電極層１６ａは、厚さが１５ｎｍであり、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１５の主表面上の全面に形成されている。また、上記Ａｕパッド電極層１６ｂは、厚さが５００ｎｍであり、Ｎｉ透光性オーミック電極層１６ａの中央部の上に形成されている。なお、Ｎｉ透光性オーミック電極層１６ａはＮｉで作製され、Ａｕパッド電極層１６ｂはＡｕで作製され、Ｓｉ３Ｎ４保護膜１９はＳｉ３Ｎ４で作製されている。
【００７２】
一方、ｎ型ＺｎＯ基板１１の裏面には、ｎ型電極１７が形成されている。このｎ型電極１７は、厚さ１００ｎｍのＴｉより成るＴｉオーミック電極層１７ａと、厚さ５００ｎｍのＡｌより成るＡｌパッド電極層１７ｂで構成されている。上記Ｔｉオーミック電極層１７ａは、ｎ型ＺｎＯ基板１１の裏面に密着して形成され、Ｔｉオーミック電極層１７ａの裏面にはＡｌパッド電極層１７ｂが密着して形成されている。
【００７３】
この第２実施形態では、上記ｐ型電極１６の上面の全面は、厚さ５ｎｍのＳｉ３Ｎ４保護膜１９で覆われている。なお、ｎ型ＺｎＯ基板１１の裏面に形成したｎ型電極１７には、保護膜は形成していない。
【００７４】
この第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子２０は、結晶成長をレーザＭＢＥ法で行い、ｐ型電極１６とｎ型電極１７、およびＳｉ３Ｎ４保護膜１８をスパッタリングによって形成した。
【００７５】
こうして形成した積層体をチップ状に分離して、この第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子２０とした。このＺｎＯ発光ダイオード素子２０が有するｎ型電極１７のＡｌパッド電極層１７ｂをＡｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付けた。また、上記ｐ型電極１６のＡｕパッド電極層１６ｂを５０μｍ径のＡｕ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。このＺｎＯ発光ダイオード素子２０に電流を流したところ、３．０Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長３８０ｎｍの紫外発光が得られた。
【００７６】
なお、この第２実施形態に対する比較例として、Ｓｉ３Ｎ４保護膜１９を有さない点だけが、第２実施形態と異なるＺｎＯ発光ダイオード素子を作製した。そして、第２実施形態と上記比較例の発光ダイオード素子について、第１実施形態で説明したのと同様の信頼性試験を行ったところ、この第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子２０が３０００時間の素子寿命であったのに対し、比較例の素子寿命は２０００時間であった。
【００７７】
この第２実施形態で説明したように、この発明の発光ダイオード素子の電極は酸化亜鉛系半導体で構成した発光ダイオード素子に適用しても、電極金属の酸化による特性劣化を抑止できるという効果を奏する。
【００７８】
本実施形態のように、基板に導電性基板を用いた場合には、ｎ型電極１７を基板裏面に形成することが出来、絶縁性基板を用いた第１実施形態の場合に比べて電極層の接触面積を増大させることが出来るので、駆動電圧を低くすることが出来る。
【００７９】
また、この第２実施形態では、ｎ型電極１７には保護膜は形成していないが、第１実施形態と同様にして保護膜を設けてもよく、接触抵抗を低減して素子の信頼性を更に向上させることが出来る。
【００８０】
また、この第２実施形態では、Ｓｉ３Ｎ４保護膜１９の厚さを５ｎｍとしたが、上記Ｓｉ３Ｎ４保護膜１９の厚さを１ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲内に設定すれば、透光性に優れると共に、十分な酸化防止効果が得られる。すなわち、上記Ｓｉ３Ｎ４保護膜１９の厚さが１ｎｍを下回ると、十分な酸化防止効果が得られず、上記Ｓｉ３Ｎ４保護膜１９の厚さが５０ｎｍを上回ると、透光性が十分でなくなる。
【００８１】
また、上記第２実施形態では、Ａｕパッド電極層１６ｂ，Ａｌパッド電極層１７ｂの厚さを５００ｎｍとしたが、上記パッド電極層１６ｂ，１７ｂの厚さを５０ｎｍ乃至１μｍの範囲に設定すれば、ボンディング時の耐久性に優れると共に、コストと歩留まりを向上させることができる。すなわち、上記パッド電極層１６ｂ，１７ｂの厚さが５０ｎｍを下回ると、ボンディング時の耐久性が不足し、上記パッド電極層１６ｂ，１７ｂの厚さが１μｍを上回ると、コスト上昇と歩留まり低下を招く。
【００８２】
また、上記第２実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層１６ａの厚さを１５ｎｍとし、Ｔｉ透光性オーミック電極層１７ａの厚さを１００ｎｍとしたが、Ｎｉ透光性オーミック電極層１６ａ，Ｔｉ透光性オーミック電極層１７ａの厚さは、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲に設定すればよい。このように設定することによって、透光性に優れると共に、十分に低抵抗なオーミック接触が得られる。すなわち、上記オーミック電極層１６ａ，１７ａの厚さが５ｎｍを下回ると、十分に低抵抗なオーミック接触が得られにくく、一方、上記厚さが１００ｎｍを上回ると、透光性に優れる特性が損なわれる。
【００８３】
（第３の実施の形態）
次に、図４に、この発明の発光ダイオード素子の第３実施形態を示す。この第３実施形態はＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０であり、図４は、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０の構造断面図である。
【００８４】
この第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０は、基板として、酸化亜鉛系半導体と格子整合するＬｉＧａＯ２基板２１を備え、このＬｉＧａＯ２基板２１の（１００）面の上に、順に、ｎ型ＺｎＯコンタクト層２２、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２３、ノンドープＣｄＺｎＯ量子井戸発光層２４、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２５、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２６およびｐ型電極２７が積層されている。
【００８５】
この第３実施形態のｐ型電極２７は、前述の第２実施形態におけるｐ型電極１６と同じ構成になっている。すなわち、このｐ型電極２７は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２６の主表面上の全面に形成されたＮｉ透光性オーミック電極層２７ａと、このＮｉ透光性オーミック電極層２７ａの中央部の上に形成されたＡｕパッド電極層２７ｂを有する。Ｎｉ透光性オーミック電極層２７ａは、厚さが１５ｎｍであり、Ａｕパッド電極層２７ｂは厚さが５００ｎｍである。
【００８６】
また、この第３実施形態では、第１実施形態と同様に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２３からｐ型ＺｎＯコンタクト層２６に至るエピタキシャル層の一部およびｐ型電極２７のオーミック電極層２７ａの一部はエッチングによって除去され、露出したｎ型ＺｎＯコンタクト層２２上には、第１実施形態と同じ構成のｎ型電極２８が形成されている。すなわち、このｎ型電極２８は、厚さ１５ｎｍのＴｉ透光性オーミック電極層２８ａおよび厚さ５００ｎｍのＡｌパッド電極層２８ｂを有している。Ａｌパッド電極層２８ｂは、Ｔｉ透光性オーミック電極層２８ａ上に積層されている。
【００８７】
また、上記ｐ型電極２７は、厚さ５ｎｍのＰｔ保護膜２９Ａを有し、表面の全面が、このＰｔ保護膜２９Ａで覆われている。また、ｎ型電極２８は、厚さ５ｎｍのＰｔ保護膜２９Ｂを有し、表面の全面が、このＰｔ保護膜２９Ｂで覆われている。このＰｔ保護膜２９ＡとＰｔ保護膜２９ＢはＰｔで作製されている。
【００８８】
なお、Ｐｔ保護膜２９ＡとＰｔ保護膜２９Ｂとは、ｐ型電極２７とｎ型電極２８との間で分離されて、ＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０が短絡しないようにしている。
【００８９】
こうして形成した積層体をチップ状に分離して、この第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０が有するＡｕパッド電極層２７ｂを、５０μｍ径のＡｕ線でリードフレーム（図示せず）の一方の部分にボンディングした。また、Ａｌパッド電極層２８ｂを５０μｍ径のＡｌ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０に電流を流したところ、３．０Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長が４２０ｎｍの青色発光が得られた。
【００９０】
この第３実施形態に対する比較例として、Ｐｔ保護膜２９Ａ，２９Ｂを有さない点だけが、上記第３実施形態と異なるＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子を作製した。この比較例の発光ダイオード素子と第３実施形態について、前述の第１実施形態で述べたのと同様の信頼性試験を行ったところ、この第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０が５０００時間の素子寿命であったのに対し、上記比較例の発光ダイオード素子の寿命は１５０時間であった。
【００９１】
この第３実施形態の如く、この発明の発光ダイオード素子の電極は、基板として絶縁基板を備えた酸化亜鉛系半導体発光ダイオード素子に適用しても、電極金属の酸化による特性劣化を抑止し、接触抵抗が低く信頼性に優れる効果を奏する。また、この第３実施形態のＰｔ保護膜の如く、保護膜材料としては絶縁体のみならず、酸化雰囲気に耐性のある材料であれば金属薄膜でもよく、電極の接触抵抗が低減するので好ましい。
【００９２】
また、この第３実施形態では、Ｐｔ保護膜２９Ａ，２９Ｂの厚さを５ｎｍとしたが、上記Ｐｔ保護膜２９Ａ，２９Ｂの厚さを１ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲内に設定すれば、透光性に優れると共に、十分な酸化防止効果が得られる。すなわち、上記Ｐｔ保護膜２９Ａ，２９Ｂの厚さが１ｎｍを下回ると、十分な酸化防止効果が得られず、上記Ｐｔ保護膜２９Ａ，２９Ｂの厚さが５０ｎｍを上回ると、透光性が十分でなくなる。
【００９３】
また、上記第３実施形態では、Ａｕパッド電極層２７ｂ，Ａｌパッド電極層２８ｂの厚さを５００ｎｍとしたが、上記パッド電極層２７ｂ，２８ｂの厚さを５０ｎｍ乃至１μｍの範囲に設定すれば、ボンディング時の耐久性に優れると共に、コストと歩留まりを向上させることができる。すなわち、上記パッド電極層２７ｂ，２８ｂの厚さが５０ｎｍを下回ると、ボンディング時の耐久性が不足し、上記パッド電極層の厚さが１μｍを上回ると、コスト上昇と歩留まり低下を招く。
【００９４】
また、上記第３実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層２７ａの厚さを１５ｎｍとし、Ｔｉ透光性オーミック電極層２８ａの厚さを１５ｎｍとしたが、Ｎｉ透光性オーミック電極層２７ａ，Ｔｉ透光性オーミック電極層２８ａの厚さは、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲に設定すればよい。このように設定することによって、透光性に優れると共に、十分に低抵抗なオーミック接触が得られる。すなわち、上記オーミック電極層２７ａ，２８ａの厚さが５ｎｍを下回ると、十分に低抵抗なオーミック接触が得られにくく、一方、上記厚さが１００ｎｍを上回ると、透光性に優れる特性が損なわれる。
【００９５】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の発光ダイオード素子の電極では、少なくともパッド電極層を覆って酸化を防止する保護膜が表面に形成されているから、オーミック電極層やパッド電極層を構成する電極材料として、Ａｌ等の酸化され易くて不導体化し易い金属を用いても、劣化を生じにくい。このことにより、パッド電極層へのボンディングワイヤの密着性を損うことが無く、接触抵抗を低減できる。また、通電による電極の劣化を防止することができ、発光ダイオード素子の信頼性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図２】上記第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子について、保護膜の厚さと発光強度および素子寿命の関係を示した図である。
【図３】この発明の第２実施形態のＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図４】この発明の第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  ｎ型ＧａＮコンタクト層
３  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４  ノンドープＩｎＧａＮ量子井戸発光層
５  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
６  ｐ型ＧａＮコンタクト層
７  ｐ型電極
７ａ  Ｎｉ透光性オーミック電極層
７ｂ  Ａｕパッド電極層
８  ｎ型電極
８ａ  Ｔｉオーミック電極層
８ｂ  Ａｌパッド電極層
９Ａ，９Ｂ  Ｓｉ３Ｎ４保護膜
１０  ＩｎＧａＮ発光ダイオード素子
１１  ｎ型ＺｎＯ基板
１２  ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１３  ノンドープＭｇＺｎＯ／ＺｎＯ量子井戸発光層
１４  ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１５  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
１６  ｐ型電極
１６ａ  Ｎｉオーミック電極層
１６ｂ  Ａｕパッド電極層
１７  ｎ型電極
１７ａ  Ｔｉオーミック電極層
１７ｂ  Ａｌパッド電極層
１９  Ｓｉ３Ｎ４保護膜
２０  ＺｎＯ発光ダイオード素子
２１  ＬｉＧａＯ２基板
２２  ｎ型ＺｎＯコンタクト層
２３  ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
２４  ＣｄＺｎＯ量子井戸発光層
２５  ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
２６  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
２７  ｐ型電極
２７ａ  Ｎｉオーミック電極層
２７ｂ  Ａｕパッド電極層
２８  ｎ型電極
２８ａ  Ｔｉオーミック電極層
２８ｂ  Ａｌパッド電極層
２９Ａ，２９Ｂ  Ｐｔ保護膜
３０  ＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子
【図１】
2004356273.tif 000003
【図２】
2004356273.tif 000004
【図３】
2004356273.tif 000005
【図４】
2004356273.tif 000006