(57)【要約】【課題】  本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法に関し、透明電極層のような追加的な電極層無しでも、p型窒化ガリウム系半導体層自体の抵抗を減少させるので、その追加的な電極層による発光輝度の低下を防止することができる。【解決手段】  本発明は、窒化ガリウム(GaN)系半導体成長用基板上にn型GaN系半導体層、活性層及びp型GaN系半導体層を順次に形成する段階と、上記p型GaN系半導体層上にAu、Mg、Mn、Mo、Pd、Pt、Sn、Ti及びZnから成る群から選択された少なくとも一種の金属接触抵抗改善層を形成する段階と、上記p型GaN系半導体層に上記接触抵抗改善層の元素が拡散され上記接触抵抗改善層に上記p型GaN系半導体層のGa元素が固溶されるよう、上記接触抵抗改善層が形成された上記p型GaN系半導体層を熱処理する段階と、上記p型GaN系半導体層の上面に残留した上記接触抵抗改善層を除去する段階と、上記p型GaN系半導体層と上記n型GaN系半導体層に夫々接続されたp側及びn側電極を形成する段階を含む製造方法を提供する。【選択図】図3
2005197631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム(GaN)系半導体成長用基板上にn型GaN系半導体層、活性層及びp型GaN系半導体層を順次に形成する段階と、
上記p型GaN系半導体層上にAu、Mg、Mn、Mo、Pd、Pt、Sn、Ti及びZnから成る群から選択された少なくとも一つの金属で接触抵抗改善層を形成する段階と、
上記p型GaN系半導体層に上記接触抵抗改善層の元素が拡散され上記接触抵抗改善層に上記p型GaN系半導体層のGa元素が固溶されるよう、上記接触抵抗改善層が形成された上記p型GaN系半導体層を熱処理する段階と、
上記p型GaN系半導体層の上面に残留した上記接触抵抗改善層を除去する段階と、
上記p型GaN系半導体層と上記n型GaN系半導体層に夫々接続されたp型及びn側電極を形成する段階とを含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
上記接触抵抗改善層が形成された上記p型GaN系半導体層を熱処理する段階は、酸素雰囲気において約400℃〜約800℃の温度で熱処理する段階であることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。 
【請求項３】
上記熱処理段階前に、上記接触抵抗改善層上にニッケル(Ni)層を形成する段階をさらに含み、
上記p型GaN系半導体層の上面に残留した接触抵抗改善層を除去する段階は、上記p型GaN系半導体層の上面から上記残留した接触抵抗改善層と上記Ni層を除去する段階であることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
上記Ni層は少なくとも約20Åの厚さを有することを特徴とする請求項3に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
上記接触抵抗改善層はAu物質から成る層であることを特徴とする請求項3に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
上記Au層は約20Å〜約100Åの厚さを有することを特徴とする請求項5に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
上記接触抵抗改善層を形成する前に、上記p型窒化ガリウム系半導体層上にニッケル(Ni)層を形成する段階をさらに含み、
上記p型GaN系半導体層の上面に残留した接触抵抗改善層を除去する段階は、上記p型GaN系半導体層の上面から残留した接触抵抗改善層と上記Ni層を除去する段階であることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
上記Ni層は少なくとも約20Å〜約80Åの厚さを有することを特徴とする請求項7に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
上記接触抵抗改善層はAu物質から成る層であることを特徴とする請求項7に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
上記Au層は約20Åの厚さを有することを特徴とする請求項9に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
上記p型GaN系半導体層の上面に残留した上記接触抵抗改善層を除去する段階は、上記接触抵抗改善層が上記p型窒化ガリウム系半導体層の上面から除去されるよう湿式エッチングする段階を含む請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。 
【請求項１２】
上記湿式エッチング段階はフッ酸系エチェントを用いて行うことを特徴とする請求項11に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。 
【請求項１３】
上記p側電極はNi、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Ag、ITO、ZnO及びPtから成る群から選択された物質から成る少なくとも一つの層で形成されることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
上記p側電極と上記n側電極は同一な物質で形成されることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関するものとして、より詳しくはp側電極が形成される表面付近において接触抵抗を減少させながら高輝度を保障できる窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化ガリウム系半導体は青色または緑色波長帯の光を得るための発光ダイオードに用いられており、代表としてAlxInyGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する半導体物質が挙げられる。主に緑色光を生成する発光素子には約3.4eVの広いバンドギャップを有するGaN半導体物質が使用される。 
こうした窒化ガリウム(GaN)系半導体は大概広いバンドギャップを有するので、電極とのオーミック接触形成に困難がある。とりわけ、p側電極が形成されるp型クラッド層は大きい接触抵抗を有するので、素子の動作電圧が上がり発熱量が高くなる問題がある。
【０００３】
従来、上述した接触抵抗に対する問題を解決する方案として諸手段が提案されたが、オーミック接触形成部分が主な光放出面に提供されるので、活性層から生成された光の透過を保障すべきとの要求条件を満たさなければならない。したがって、実際に採用できる接触抵抗の改善方案は極めて制限されるしかない。
【０００４】
従来の一方案に、米国登録特許第5563422号(譲受人: Nichia Chemical Industries, Ltd.,  発明の名称：Gallium nitride-based III-V group compound semiconductor device and method of producing the same)において提案されたNi-Auの二重層を利用した透明電極がある。図1は上記特許による発光素子の構造の一形態を示す。
【０００５】
図1に示したように、従来の窒化ガリウム系半導体発光素子(10)はサファイア基板(11)上に形成されたn型GaN半導体層(13)、多重井戸構造のGaN/InGaN活性層(15)及びp型GaN半導体層(17)を含む。上記p型GaN半導体層(17)とGaN/InGaN活性層(15)の一部領域が除去されたn型GaN半導体層(13)の上面にはn側電極(19a)が形成され、p型GaN半導体層(17)上にはNiとAuが順次に積層された透明電極(18)、p側電極(19b)を形成する。上記透明電極(18)は透光性を有しながら接触抵抗を改善するための層としてNi-Auの蒸着工程と後続する熱処理工程を通してオーミック接触を形成する。
【０００６】
上記透明電極(18)は電流注入効率を向上させるためにはできる限り厚く形成することが好ましいが、金属を用いて透明電極(18)を形成するので所望の透光性を得るのに困難がある。たとえ、熱処理過程を通して比較的透光性の高いNiO層が形成されてもその透過率は60%に過ぎないので、透明電極の厚さが増加する場合に発光効率が低下しかねない。
【０００７】
したがって、こうした透明電極の厚さは100μｍ以下に制限するしかなく、これにより電流注入効率の向上させるのに限界がある。
【０００８】
また、金属を用いた透明電極の追加的な形成方案は所望の透過率を考慮して適切な厚さに形成しても、Auのような光子吸収率の高い金属から成る透明電極は低い透過率を有するので、ある程度の輝度減少は避けがたい問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した従来技術の問題を解決するためのもので、p側電極が形成されたp型窒化ガリウム系半導体層の領域に接触抵抗を改善するために選択された金属物質を蒸着して熱処理後残留した金属物質を除去することにより接触抵抗を改善させ発光輝度の低下を防止する新たな発光ダイオードの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、窒化ガリウム(GaN)系半導体成長用基板上にn型GaN系半導体層、活性層及びp型GaN系半導体層を順次に形成する段階と、上記p型GaN系半導体層上にAu、Mg、Mn、Mo、Pd、Pt、Sn、Ti及びZnから成る群から選択された少なくとも一つの金属で接触抵抗改善層を形成する段階と、上記p型GaN系半導体層に上記接触抵抗改善層の元素が拡散され上記接触抵抗改善層に上記p型GaN系半導体層のGa元素が固溶されるよう上記接触抵抗改善層が形成された上記p型GaN系半導体層を熱処理する段階と、上記p型GaN系半導体層の上面に残留した上記接触抵抗改善層を除去する段階と、上記p型GaN系半導体層と上記n型GaN系半導体層に夫々接続されたp側及びn側電極を形成する段階とを含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００１１】
好ましくは、上記接触抵抗改善層が形成された上記p型GaN系半導体層は酸素雰囲気において約400℃〜約800℃の温度で熱処理することができる。
【００１２】
また、本発明の好ましき実施形態においては、上記熱処理段階前に上記接触抵抗改善層上にニッケル(Ni)層を形成する段階をさらに含み、上記p型GaN系半導体層の上面に残留した接触抵抗改善層を除去する段階は、上記p型GaN系半導体層の上面から残留した接触抵抗改善層と上記Ni層とを除去する段階であることができる。
【００１３】
本実施形態において、上記Ni層は少なくとも約20Åの厚さを有することが好ましく、上記接触抵抗改善層はAu物質から成る層であることが好ましい。上記接触抵抗改善層にAu層を使用する場合には、約20Å〜約100Åの厚さを有するよう形成することが好ましい。
【００１４】
本発明の他実施形態においては、上記接触抵抗改善層を形成する前に上記p型窒化ガリウム系半導体層上にニッケル(Ni)層を形成する段階をさらに含み、上記p型GaN系半導体層の上面に残留した接触抵抗改善層を除去する段階は、上記p型GaN系半導体層の上面から残留した接触抵抗改善層と上記Ni層とを除去する段階であることができる。
【００１５】
本実施形態において、上記Ni層は少なくとも約20Å〜約80Åの厚さを有するよう形成することが好ましい。また、上記接触抵抗改善層はAu物質で成る層であることができ、この場合にAu層は少なくとも約20Åの厚さを有するよう形成することが好ましい。
【００１６】
本発明において上記p型GaN系半導体層の上面に残留した上記接触抵抗改善層を除去する段階は、上記接触抵抗改善層が上記p型窒化ガリウム系半導体層から除去されるよう湿式エッチングする段階で具現することができ、好ましくはフッ酸系エチェントを利用して施すことができる。
【００１７】
本発明により改質されたp型窒化ガリウム系半導体層上に形成されることのできるp側電極はNi、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Ag、ITO、ZnO及びPtから成る群から選択された物質で成る少なくとも一つの層により形成することができる。即ち、本発明において形成されるp側電極は必要に応じて様々な物質と構造(単層/復層)に形成されることができ、上記p側電極と上記n側電極は同一な物質で成ることができ、同一工程により具現することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように、本発明によると、p側電極が形成されるp型窒化ガリウム系半導体層領域にAuのような金属で接触抵抗改善層を蒸着し、これを熱処理した後除去することにより、p型窒化ガリウム系半導体層の電極形成領域を高伝導性領域に形成することができる。さらに、p型窒化ガリウム系半導体層自体を改善して接触抵抗を減少させるので、透明電極層のような追加的な層が要求されず、したがって追加的な層による発光輝度の低下を防止することができる。また、使用者の要求と最終パッケージ構造にしたがって、p側電極に使用される物質とその構造を多様に変形できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図を参照しながら本発明をより詳しく説明する。
【００２０】
図2は本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程フロー図である。
【００２１】
図2のように、本発明の工程は窒化ガリウム(GaN)系半導体成長用基板上にn型GaN系半導体層、活性層及びp型GaN系半導体層を順次に形成する段階(S21)から始まる。窒化ガリウム系半導体成長用基板には同種GaN基板、SiC基板、サファイア基板を使用することができるが、主にサファイア基板を用いる。
【００２２】
次いで、段階(23)において、上記p型GaN系半導体層上に接触抵抗改善層を蒸着する。上記接触抵抗改善層はp型GaN系半導体層の表面、即ちp側電極が形成される領域に接触抵抗を下げるための金属層として、Au、Mg、Mn、Mo、Pd、Pt、Sn、Ti及びZnから成る群から選択された少なくとも一つの金属を蒸着して形成することができる。
【００２３】
次に、段階(25)においては、上記接触抵抗改善層が形成された上記p型GaN系半導体層を熱処理する。本過程において、上記p型GaN系半導体層に上記接触抵抗改善層の金属元素が拡散され、上記接触抵抗改善層に上記p型GaN系半導体層のGa元素が固溶されp型GaN系半導体層にはGa空間格子点(vacancy)が形成される。上記p型GaN系半導体層の表面付近において伝導性を改善するために施される熱処理工程は酸素雰囲気において約400℃〜約800℃の温度範囲において行うことが好ましい。
【００２４】
このようにP型GaN系半導体層の表面付近には、接触抵抗改善層から拡散された金属元素と、Ga元素が接触抵抗改善層に固溶され形成されたGa空間格子点により接触抵抗を減少させることができる。とりわけ、p型GaN系半導体層の表面付近に形成されたGa空間格子点は通常のMgドーパントの活性化度(約1%に過ぎない)と異なり、高い活性化を有し、ホールキャリアを大きく増加させることができる。
【００２５】
次いで、上記p型GaN系半導体層の上面に残留した上記接触抵抗改善層を除去する段階(27)を行う。本発明は従来の方式と異なり、接触抵抗を下げるために透光性を有する伝導層(透明電極)を提供する方式でなく、p型GaN系半導体層の表面付近においてキャリア数を増加させることにより接触抵抗を下げる方式を用いる。したがって、本発明に用いられる接触抵抗改善層は熱処理工程後には透過性を低下させる問題があるので、これを防止するためには熱処理後残留した接触抵抗改善層を除去する工程を行う。
【００２６】
最後に、上記p型GaN系半導体層と上記n型GaN系半導体層に夫々接続されたp側及びn側電極を形成する段階(29)を行う。本発明に用いられる電極、とりわけp側電極は単一層または複数層で構成することができ、その電極物質もNi、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Ag、ITO、ZnO及びPtから成る群から選択された物質であることができる。また、上記p側電極は上記n側電極と同一な物質で形成し単一なフォトレジスト工程を通して両電極を同時に形成することもできる。このように、本発明は接触抵抗を減少させるのに、p側電極の構造を変形する方式ではなく、p型GaN系半導体層の表面を改善する方式を用いるので、p側電極の形成においてより様々な電極物質及び構造を用いることができる利点を奏する。
【００２７】
図3(a)ないし図3(e)は本発明の好ましき実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を示した工程断面図である。
【００２８】
先ず、図3(a)のように、サファイア基板(31)上にn型GaN系半導体層(33)、活性層(35)及びp型GaN系半導体層(37)が順次に形成される。ここに使用されるGaN系半導体層(31、33、35)はAlxInyGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する半導体物質であることができる。
【００２９】
次に、図3(b)のように、上記p型GaN系半導体層(37)の上面にAu層(38a)を蒸着する。上記Au層は後続熱処理工程を通して上記p型GaN系半導体層の表面付近に活性化可能なキャリアを増加させることにより伝導性を向上させる手段として提供される。こうした層としてはAuの他にもMg、Mn、Mo、Pd、Pt、Sn、Ti、Znまたはその合金で蒸着し形成することができるが、Au物質が最も好ましい。こうしたAu層(38a)は約20Å以上に形成することが好ましく、本実施形態のようにAu層(38a)上にNi層(図3(c)の38b)を形成する場合には密着力の低下を防止するために約100Å以下に形成することが好ましい。
【００３０】
次いで、図3(c)のように、上記Au層(38a)上にNi層(38b)を形成する工程を行う。 Ga元素を固溶させ形成するGa空間格子点などを通してp型GaN系半導体層(37)の表面付近のキャリアを増加させる役目を果たすAu層(38a)と異なり、Ni層(38b)は後続熱処理工程においてp型GaN系半導体層のMgのようなp型ドーパントが離脱するのを防止するための層に用いられる。こうしたNi層(38b)はp型ドーパントの離脱を防止する効果を得るために少なくとも約20Åの厚さに形成しなければならない。
【００３１】
次に、図3(d)のように、上記Au層(38a)及びNi層(38b)が形成された上記p型GaN系半導体層(37)を熱処理する。本熱処理工程は酸素雰囲気において約400℃〜約800℃の温度範囲において行うことができる。本段階が進む間に、上記p型GaN系半導体層(37)の表面付近にはキャリア濃度が大きく増加する反応が発生する。即ち、図3(d)に示したように、p型GaN系半導体層(37)にAu元素が拡散される同時に、上記Au層(38a)へ上記p型GaN系半導体層(37)のGa元素が固溶されp型GaN系半導体層(37)にGa空間格子点を形成する。こうした空間格子点はp型GaN系半導体層(37)の表面において高活性化度を有するホールキャリアとして作用し、p型GaN系半導体層(37)の接触抵抗を大きく減少させることができる。
【００３２】
次いで、図3(e)のようにp型GaN系半導体層の上面に残留したAu層及びNi層を除去する。本段階は湿式エッチング工程により行われ、好ましくはフッ酸系エチェントを用いることができる。本発明に使用された接触抵抗改善層のAu層(38a)が除去された後、上記p型GaN系半導体層は少なくとも上面一部、即ち表面付近に高伝導性領域(37a)が形成されることができる。こうした高伝導性領域(37a)はGa空間格子点と拡散されたAuにより増加したキャリア濃度を有し、その結果接触抵抗を大きく減少させることができる。
【００３３】
このように本発明によると、p型GaN系半導体層自体の伝導性を向上させるので、残留したAu層またはNi層を除去しても接触抵抗特性を改善することができ、これによりむしろ残留したAu層またはNi層による透過性低下の問題を解決することができる。
【００３４】
図3(a)ないし図3(e)に示した実施形態と異なり、p型GaN系半導体層上にNi層を形成した後、接触抵抗改善層であるAu層を形成する形態に具現することもできる。こうした実施形態においては、Ni層は熱処理過程においてNiO2膜に変化し、上記膜を通してAu層とp型GaN系半導体層とが相互反応することができる。こうした作用のために、Ni層を先に形成する場合にはNi層の厚さを20Åないし80Åの範囲とすることが好ましい。Au層の厚さは少なくとも20Åに形成することが好ましい。
【００３５】
さらに、図3(e)に示した発光構造物は通常の方法によりp型GaN系半導体層と活性層の一部がメサエッチングされ、露出したn型GaN系半導体層上面とp型GaN系半導体層上面にn側電極及びp側電極を夫々形成することにより所望の発光素子を完成することができる。本発明に用いられるp側電極はNi、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Ag、ITO、ZnO及びPtから成るグループから選択された少なくとも一つの物質で成ることができ、単一層または複数層に構成されることができる。本発明はp側電極を構成する物質及び/または構造によりp型GaN半導体層の接触抵抗問題を解決するものでなく、p型GaN半導体層の表面自体を改質させ高伝導性が保障される方式で具現されるので、p側電極をより様々に構成することができる。
【００３６】
最終的に完成された窒化ガリウム系半導体発光素子の一形態は図4(a)に示してある。
【００３７】
図4(a)によると、上記窒化ガリウム系半導体発光素子(40)はサファイア基板(41)上に形成されたn型GaN半導体層(43)、多重井戸構造であるGaN/InGaN活性層(45)及びp型GaN半導体層(47)を含む。上記p型GaN半導体層(47)とGaN/InGaN活性層(45)の一部領域が除去されたn型GaN半導体層(43)の上面にはn側電極(49a)が形成され、p型GaN半導体層(47)上には本発明に応じてAu層のような接触抵抗改善層を用いて高キャリア濃度を有する高伝導性領域(47a)が形成される。また、p型GaN半導体層(47)の上面にはAu層のような光吸収度の高い金属が残留せず、高反射率を有するNi/AgまたはPd/Agから成る高反射率金属層(48)を追加的に形成し、p側ボンディング電極(49b)を形成する方式によりp側電極を構成することができる。
【００３８】
上記高反射率金属層(48)を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子(40)は図4(b)に示したフリップチップボンディング構造を有する発光パッケージ(50)に有益に適用することができる。
【００３９】
図4(b)のように、図4(a)の発光素子(40)は導電性シリコン基板(51)上に配置される。上記シリコン基板(51)の上面には絶縁層(52)により分離される第1導電パターンと第2導電パターン(53a、53b)が形成され、上記発光素子(40)のp側及びn側電極(49a、49b)は夫々導電性バンプ(54a、54b)により上記第1及び第2導電パターン(54)に接続される。
【００４０】
図4(a)及び図4(b)の説明において確認できるように、本発明によると、図4(b)のフリップチップ構造においては光吸収度の高いAu層を無くしても、p側電極構造に高反射率を有する層を追加しながら所望のオーミック接触を形成することにより順方向電圧の増加を防止することができる。即ち、本発明によるp型窒化ガリウム系半導体層の接触抵抗の改善方案は必要に応じてp側電極物質と構造を様々に選択できる利点を奏する。
【００４１】
本発明は上述した実施形態及び添付の図により限定されるわけではなく、添付の請求範囲により限定されるもので、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有するものにとっては自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子を示した側断面図である。
【図２】本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程フロー図である。
【図３】図3(a)ないし(e)は本発明の一実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法の各工程を示した概略的な断面図である。
【図４】図4(a)及び(b)は夫々本発明の方法により製造された窒化ガリウム系半導体発光素子とその応用パッケージの一形態を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
31  サファイア基板
33  n型GaN系半導体層                  
35  活性層
37  p型GaN系半導体層
37a  高伝導性領域
38  金(Au)層
38b  ニッケル(Ni)層
【図１】
2005197631.tif 000003
【図２】
2005197631.tif 000004
【図３】
2005197631.tif 000005
【図４】
2005197631.tif 000006