(57)【要約】【課題】III−Ｖ族窒化物化合物半導体素子の静電耐圧を向上させる。【解決手段】ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上にｎ電極１４０が形成されており、ｐ型コンタクト層１０８の上にｐ電極１１０が形成されている。ｎ電極１４０とｐ電極１１０とを接続し、ｎ型コンタクト層１０４、発光層１０６、ｐ型層１０７、ｐ型コンタクト層１０８の側壁上に、ZnO 膜より成る保護膜１３０がスパッタリングによ形成されている。保護膜１３０は、透光性薄膜ｐ電極１１０の端部とｎ電極１４０の端部で接続されており、厚さ5 〜10μm に形成されている。過電圧がｎ電極１４０とｐ電極１１０との間に印加されると、保護膜の非線形抵抗特性により保護膜を電流がバイパスし、両電極間の電圧は上昇しない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III −Ｖ族窒化物半導体を各層の材料として用い、少なくとも、第１電極と、その第１電極が接続される第１導電型の第１層と、第２電極と、その第２電極が接続される第２導電型の第２層とを有する半導体素子において、
前記第１電極と前記第２電極との間に非線形抵抗特性を有する保護膜を設けたことを特徴とするIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記保護膜は、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を含む材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１電極は第１層の露出領域に形成され、前記保護膜は、前記第２層の上に形成された前記第２電極と前記第１電極とを接続するように各層の側壁に沿って形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１電極は第１層の露出領域に形成され、前記保護膜は少なくとも前記第１電極上に形成され、前記第２電極は前記第２層の上に形成されると共に、前記保護膜を介して前記第１電極と対向する位置まで延長して形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第２電極は前記第２層の平面上に形成され、前記保護膜は少なくとも前記第２電極の一部に形成され、前記第１電極は前記第１層の上に形成されると共に、前記保護膜を介して前記第２電極と対向する位置まで延長して形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記保護膜は、前記各層の側壁にも形成されており、前記第２電極は前記第１電極と対向する位置までその保護膜上に延長して形成されていることを特徴とする請求項４に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記保護膜は、前記各層の側壁にも形成されており、前記第１電極は前記第２電極と対向する位置までその保護膜上に延長して形成されていることを特徴とする請求項５に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記１層の前記露出部は、前記第１層の平面上の一部上の各層が除去されて形成される部分であることを特徴とする請求項３乃至請求項７の何れか１項に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記第１電極と前記第２電極とは、前記半導体素子の異なる面上に前記各層を挟むように対向して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII −Ｖ族窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII−Ｖ族窒化物半導体素子に関する。特に、本発明は静電耐圧の高いIII−Ｖ族窒化物半導体素子の構造を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、III−Ｖ族窒化物半導体はバンドギャップが広いこと、結晶が安定していること、ヒ素などの環境汚染物質を用いていないことなどから、このIII−Ｖ族窒化物半導体を用いた発光素子、受光素子、太陽電池、トランジスタなどの電子デバイスが盛んに研究されている。しかしながら、III−Ｖ族窒化物半導体は他の化合物半導体に比べて結晶成長が極めて困難であり、良質な結晶が得られ難いことから、その半導体を用いた半導体素子の静電耐圧は未だに低いものである。すなわち、高電圧が半導体素子に印加されると、素子が破壊されたり、発光特性などの諸特性が劣化するという問題があった。このために、半導体素子の製造過程やこの素子を用いた製品の組み立て時などにおいて、注意を要した。
【０００３】
緑、青乃至紫外領域の発光素子として、III−Ｖ族窒化物半導体発光素子が汎用されつつあるが、発光強度以外の諸特性は、尚改善の余地がある。特に静電耐圧については、ガリウム・ヒ素系の発光素子やインジウム・リン系の発光素子に比較して格段に低く、大幅な静電耐圧の向上が期待されている。ここにおいて、III−Ｖ族窒化物半導体発光素子の静電耐圧の向上のため、下記のような提案がなされている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１３５５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記公開公報による技術は、等価回路上、発光素子を構成するｐｎ接合に並列にコンデンサを挿入するものである。この技術では、サージ電圧の高周波成分をこのコンデンサで短絡することで、サージの立ち上がりを鈍化させることにより、急峻な電流の増加を防止することで、金属のマイグレーションや欠陥の増殖を防止しようとするものである。静電耐圧の効果を向上させるためには、コンデンサで短絡する静電電圧の周波数をなるべく小さくする必要があることから、コンデンサの容量を大きくする必要がある。しかしながら、１チップ上に形成できるコンデンサの大きさは自ずと制限があり、低い周波数まで短絡することはできず、静電耐圧の防止の効果がそれほど得られていない。
【０００６】
そこで本発明は、III−Ｖ族窒化物半導体素子の静電耐圧を、さらに、向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するための請求項１に記載の発明は、III −Ｖ族窒化物半導体を各層の材料として用い、少なくとも、第１電極と、その第１電極が接続される第１導電型の第１層と、第２電極と、その第２電極が接続される第２導電型の第２層とを有する半導体素子において、第１電極と第２電極との間に非線形抵抗特性を有する保護膜を設けたことを特徴とするIII −Ｖ族窒化物半導体素子である。
【０００８】
ここで、第１導電型をｎ導電型とすれば、第２導電型はｐ導電型となる。もちろん、第１導電型をｐ導電型とすれば、第２導電型はｎ導電型となる。本件発明の半導体素子は、少なくとも、この２種類の導電型の層を有して、それぞれの層に接続される電極を有したものに適用される。よって、第１層と第２層とが直接接合されていることを必要としない。第１層と第２層とが直接接合されていても良いし、その層の間に第１導電型又は第２導電型の層や、ドーパントを意図的の添加していない層（真性半導体や拡散により程度の低い第１導電型や第２導電型を示す半導体から成る層）や、それらの層の複数の層が介在していても良い。ダブルヘテロ構造をとる発光素子や受光素子の場合には、一般的には、第１層と第２層との間に電気エネルギーを光エネルギーに変換する発光層や光エネルギーを電気エネルギーに変換する受光層が存在し、発光層や受光層は、一般的には、ＳＱＷ，ＭＱＷ構造をとる。さらに、ガイド層やクラッド層など、多数の機能層が存在する場合が一般的である。第１層や第２層は、一般的には、第１電極、第２電極に対してオーミック性を良好とするためのコンタクト層と考えられるので、第１層と発光層や受光層の間又は／及び第２層と発光層や受光層の間には、他のコンタクト層、歪み緩和層、クラッド層、ガイド層など、必要に応じて複数の機能層が形成されていても良い。また、それらの各機能層は複数層の積層又は多重量子井戸構造を形成するものであっても良い。半導体素子がどのようなものであるかによって、各層の構成は異なるが、要は、正、負の電極と、これらの電極が接続される少なくとも２つの層を有した半導体素子であれば、本件発明は適用可能となる。
【０００９】
第１電極と第２電極との間に駆動電圧が印加されて、本半導体素子は発光し、受光して抵抗が変化し、受光して電圧が誘起され、トランジタスなどのように増幅作用をするが、静電気やスイッチング時のサージ電圧などもこれらの２つの電極間に印加されることになる。本件発明では、この電極間に非線形抵抗特性を有する保護膜が形成されている。この保護膜により、２つの電極間に印加される静電気やサージなどのエネルギーが吸収される。保護膜は単層であっても、材料の異なる複数の層であっても良い。さらに、非線形抵抗特性を有する保護膜と、この特性を有しない二酸化珪素、酸化チタン、窒化珪素、アルミナなどの絶縁膜との複層であっても良いし、非線形抵抗特性を有する材料と絶縁性材料ととが混在した混合物又は組成物であっても良い。絶縁膜は保護膜の下側に位置しても上側に位置しても良い。さらに、保護膜の中に金属膜や、保護膜と絶縁膜との間に金属膜などが存在していても良い。保護膜が急激に電流を流す所定電圧（しきい値電圧）は、第１電極と第２電極との間隔、すなわち、保護膜中の電流の経路長や、材料の成分、組成比などで制御することができる。また、エネルギー吸収能力は、保護膜中の電流路の断面積、材料の成分、組成比などで制御することができる。要するに、これらの値は、保護膜の寸法、第１電極と第２電極との配置関係、したがって、電流路の形状（断面、長さ）と、材料の成分、組成比などで制御することが可能である。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、保護膜は、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を含む材料から構成されていることを特徴とする。
この酸化亜鉛は、電圧−電流特性において著しい非線形特性を有する。すなわち、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を含む材料から成る保護膜を挟む２つの電極間に印加される電圧が所定電圧よりも小さい場合には、その抵抗率は非常に大きく、保護膜は絶縁体として機能する。しかし、２つの電極間に印加される電圧が所定電圧以上となると、保護膜の抵抗率は急激に小さくなり、電極間に急激に電流が流れ、電極間の電圧は上昇しない。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、第１電極は第１層の露出領域に形成され、保護膜は、第２層の上に形成された第２電極と第１電極とを接続するように各層の側壁に沿って形成されていることを特徴とする。
この発明及び請求項１、２の発明は、半導体素子の同一面側に２つの電極が存在する素子と、半導体素子の両面にそれぞれの電極が存在する素子とを含む。半導体素子の同一面側に２つの電極が形成される場合には、第１電極は第１層の一部の上方の各層を除去して露出した第１層の上に形成されることになる。半導体素子の両面に電極が形成される場合には、第１電極は半導体素子の裏面、第２電極は半導体素子の表面、又は、その逆に形成される。要するに、請求項３の発明の特徴は、保護膜が第１電極と第２電極とを接続するように半導体素子を構成する各層の側壁に沿って形成されていることである。この構成によって、過電圧による過電流（例えば、サージ）が保護膜で吸収されることになる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、第１電極は第１層の露出領域に形成され、保護膜は少なくとも第１電極上に形成され、第２電極は第２層の上に形成されると共に、保護膜を介して第１電極と対向する位置まで延長して形成されていることを特徴とする。
２つの電極が半導体素子の同一面側に形成されていても、半導体素子の両面にそれぞれが形成されていても良いのは、請求項３の発明と同じである。この発明では、保護膜が少なくとも第１電極の上に形成されており、その保護膜の上に延長して形成された第２電極が存在すれば十分である。これにより２つの電極間に保護膜が存在する構成とすることができる。保護膜は、第１電極の外部に電気接続する部分を除く全面又は一部上に少なくとも形成されていれば良く、各層の側壁に沿って第２層まで形成されていても良い。保護膜が各層の側壁に沿って第２層まで形成されている場合には、第２電極はこの保護膜の上に第１電極の位置まで延長して形成される。保護膜が各層の側壁に形成されていない場合には、通常、第２電極と各層の側壁間を絶縁するために絶縁膜が形成されることになる。保護膜が各層の側壁に形成される場合には、側壁に形成される層は、保護膜の他に絶縁膜や金属層との複層でも良いことは、請求項１の発明で説明したことと同じである。また、第１電極と第１電極上に延長された第２電極との間には、少なくもと保護膜が存在すれば良く、保護膜と絶縁膜との複層、金属膜を内部に有した保護膜、絶縁膜と保護膜との間に金属膜が存在しても良い。要は、過電圧による過電流（サージ）の吸収量を上昇させるように構成される。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、第２電極は第２層の平面上に形成され、保護膜は少なくとも第２電極の一部に形成され、第１電極は第１層の上に形成されると共に、保護膜を介して第２電極と対向する位置まで延長して形成されていることを特徴とする。
この発明は、請求項４の発明とは、逆に、第２電極上に保護膜と延長された第１電極とを構成したものである。よって、請求項４の発明において説明した事項は、請求項５の発明においても全て適用可能である。第２電極は第２層の全面又は一部に形成されたもので良い。例えば、第２層側から光を外部に出力したり、外部から光を入射させたりする場合には、第２電極は一般的は透明電極となり、フリッチチップ型や半導体素子の両面に対向して２つの電極を形成する場合であれば、厚さの厚い金属電極となる。第２電極は、この透明電極上に形成されたパッド電極をも含むものとして解釈できる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４の発明において、保護膜は、各層の側壁にも形成されており、第２電極は第１電極と対向する位置までその保護膜上に延長して形成されていることを特徴とする。
保護膜は単層でも良く複層でも良く、他の絶縁膜や金属膜と共に用いてもよいことは上述した通りである。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５の発明において、保護膜は、各層の側壁にも形成されており、第１電極は第２電極と対向する位置までその保護膜上に延長して形成されていることを特徴とする。
請求項６の発明と同様である。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、請求項３乃至請求項７の何れか１項の発明において、第１層の露出部は、第１層の平面上の一部上の各層が除去されて形成される部分であることを特徴とする。
この発明は、半導体層の同一面に第１電極と第２電極とを形成した構成を限定したものである。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至請求項７の何れか１項の発明において、第１電極と第２電極とは、半導体素子の異なる面上に各層を挟むように対向して形成されていることを特徴とする。
この発明は、半導体層の両面（裏面と表面）とに、それぞれ、第１電極と第２電極とを形成した構成を限定したものである。半導体素子が導電性基板を用いている場合には、この構成を採用することも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、第１電極と第２電極との間に非線形抵抗特性を有する保護膜が形成されている。非線形抵抗特性は、印加電圧が所定電圧よりも小さい場合には、抵抗率が非常に大きく、印加電圧が所定電圧以上となると、抵抗率が急激に小さくなる特性である。この構成を採用することで、第１電極と第２電極との間に、半導体素子を駆動するための通常の駆動電圧が印加された場合には、保護膜は絶縁体として機能し、電流をバイパスさせることはなく、半導体素子を動作させることができる。第１電極と第２電極との間に、通常の駆動電圧よりもかなり大きく、所定電圧（しきい値電圧）以上の電圧が印加されると、保護膜の抵抗率は急激に減少し、保護膜に電流れ、電流はバイパスされて、各層に大きな電流は流れない。この結果、第１電極と第２電極間の電圧は上昇せず、かつ、各層には大きな破壊電流が流れないので、半導体素子は破壊されることもなく、特性の劣化も生じない。この保護膜は、非線形抵抗特性を有したものであるので、破壊に至らなければ、可逆的に何度も使用可能であり、半導体素子の製造過程、この素子を用いた製品の組み付け過程、製品の使用時に印加される静電気やサージに対して、耐性を有するものとなる。この結果、製品の製造歩留りが向上し、製品品質が向上する。
【００１９】
請求項２の発明のように、保護膜は、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を含む材料で構成することにより、静電耐圧を向上させた半導体素子を効果的に得ることができる。
請求項３、４、５、６の発明は、保護膜と第１電極、第２電極との配置関係を構成としたものである。これらの構成により、保護膜が電流がバイパスする所定電圧とエネルギー吸収能力を制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。本件発明は、半導体素子としては、発光素子（発光ダイオード、レーザダイオードなど）、受光素子、太陽電池、トランジスタなどの電子デバイスに用いることができる。
【００２１】
発光素子とした場合には、次の構成を採用することができる。発光層を構成する多重量子井戸構造は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体AlyGa1-y-zInzN(0≦y＜1, 0＜z≦1)から成る井戸層を含むものが望ましい。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのGa1-zInzN(0＜z≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGa1-zInzN(0＜z≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。ここでドープは、ドーパントを意図的に原料ガスに含ませて目的とする層に添加していることを意味し、アンドープは、原料ガスにドーパントを含ませないで、意図的にドーパントを添加しないもの意味する。したがって、アンドープは、近接の層から拡散して自然にドーピングされている場合をも含む。
【００２２】
本発明に係るIII−Ｖ族窒化物半導体素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III−Ｖ族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III−Ｖ族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。
【００２３】
半導体素子を構成する各層のIII−Ｖ族窒化物半導体は、少なくともAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。
【００２４】
更に、これらの半導体を用いてｎ型の層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型の層を形成する場合には、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。
【００２５】
本発明に用いられる保護膜の非線形抵抗特性は、図９に示すように、印加される電圧が所定値（しきい値電圧）Ｖt より小さい場合には、抵抗率は大きく電流は流れず、印加電圧が所定値Ｖt 以上となると抵抗率が急激に減少して、電流が急激に流れる特性をいう。このような特性を示す材料としては、酸化亜鉛がある。また、酸化亜鉛を含む材料を用いることができる。例えば、酸化亜鉛を主成分として、希土類元素酸化物(La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luなどのうちの少なくとも１種の酸化物）、アルカリ土類元素酸化物（Mg,Ca,Ba,Sr などの少なくとも１種の酸化物、例えば、SrO など）、三価になる元素（B,Al,Ga,In,Y,Cr,Fe,Sb ,Mo,W など) の酸化物を一種又は複数種含む材料を用いることができる。さらに、この組成物に、コバルト酸化物を含む材料、さらに、銀を含む材料を用いることができる。Sr酸化物が多いと、非線形係数を大きくすることができ、銀を含ませるとエネルギー吸収を大きくすることができる。三価になる元素の酸化物は、粒界に存在して絶縁性を向上させる機能と、粒界内に存在して抵抗を低下させる機能とを有しており、それらは、電流を流すしきい値電圧( 所定電圧) を制御することができる。また、保護膜を形成するとき、これらの材料を主成分として、SiO2などの酸化珪素、Al2O3 などの酸化アルミニウム、SiN などの窒化珪素、AlN などの窒化アルミニウム、TiO2などの酸化チタン、TiN などの窒化チタンなどの絶縁性材料との混合体や組成物を用いても良い。これらの配合比や組成比を制御することで、しきい値電圧Ｖt やエネルギー吸収量を制御することができる。
【００２６】
保護膜を形成する方法としては、これらの単一又は複数の組成物をターゲットとするスパッタリングなどの蒸着法を用いることが可能である。
【００２７】
全図面において、層の厚さは、実際の各層の厚さと比例関係をもって表示されていないし、縦横比も現実のものではない。要するに、層構造が把握し易いように表現されている。
【実施例１】
【００２８】
図１に、本発明の実施例に係る半導体発光素子１００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子１００では、図１に示す様に、厚さ約300μmのサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約15nmのバッファ層１０２が成膜され、その上にノンドープのGaNから成る膜厚約500nmの層１０３が成膜され、その上にシリコン(Si)を1×1018/cm3ドープしたGaNから成る膜厚約5μmのｎ型コンタクト層１０４（高キャリヤ濃度ｎ+層：第１層に相当）が形成されている。ｎ型コンタクト層１０４の上には、膜厚約１００nmのSiドープのAl0.1 Ga0.9 Nから成るｎ型半導体層１０５が形成されている。
【００２９】
また、ｎ型半導体層１０５の上には、膜厚3nmのノンドープIn0.2Ga0.8Nから成る井戸層１０６１と膜厚20nmのノンドープGaNから成る障壁層１０６２とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。
【００３０】
更に、この発光層１０６の上には、Mgを2×1019/cm3ドープした膜厚25nmのｐ型Al0.15Ga0.85Nから成るｐ型層１０７が形成されており、また、ｐ型層１０７の上には、Mgを8×1019ドープした膜厚100nmのｐ型GaNから成るｐ型コンタクト層１０８（第２層に相当）が形成されている。
【００３１】
又、ｐ型コンタクト層１０８の上には金属蒸着による透光性薄膜ｐ電極１１０（第２電極に相当）が、ｎ型コンタクト層１０４上にはｎ電極１４０（第１電極に相当）が形成されている。透光性薄膜ｐ電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０８に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)より成る第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６nmの金（Au）より成る第２層１１２とで構成されている。
【００３２】
厚膜ｐ電極１２０（第２電極にも相当）は、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１２１と、膜厚約1.5 μmの金(Au)より成る第２層１２２と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層１２３とを透光性薄膜ｐ電極１１０の上に、順次積層させることにより構成されている。
【００３３】
多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上に、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。
【００３４】
また、ｎ電極１４０と透光性薄膜ｐ電極１１０とを接続し、ｎ型コンタクト層１０４、発光層１０６、ｐ型層１０７、ｐ型コンタクト層１０８の側壁上に、ZnO 膜より成る保護膜１３０がスパッタリングによ形成されている。保護膜１３０は、透光性薄膜ｐ電極１１０の端部とｎ電極１４０の端部で接続されており、厚さ5 〜10μm に形成されている。
【００３５】
サファイヤ基板１０１の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約500nmのアルミニウム（Al）より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Rh、Ti、W等の金属の他、TiN、HfN等の窒化物でも良い。
【００３６】
上記のようにｎ電極１４０と透光性薄膜ｐ電極１１０との間に、それらを接続する酸化亜鉛から成る保護膜が形成されているので、両電極間に過電圧が印加された場合には、その過電圧が所定電圧以上であれば、電流が透光性薄膜ｐ電極１１０からｎ電極１４０へとバイパスし、電極間電圧は所定電圧以上には上昇しなし、過電流は発光層１０６などの内部の層には流れない。この結果として、素子の破壊が防止され、各層内部に存在する結晶欠陥を増長させることがないので、素子の特性の劣化が防止される。保護膜１３０は各層の側壁の全周に形成されていても良く、図２−Ａに示すように、ｎ型コンタクト層１０４の電極形成部の上部の各層をエッチングして除去して形成されたｎ型コンタクト層１０４の露出部分の周囲のみに形成されていても良い。また、保護膜１３０は半導体発光素子１００に対して汚染などの保護機能を兼ねる膜であっても良いし、この保護膜１３０の上や透光性薄膜ｐ電極１１０の上の略全体にさらに酸化珪素(SiO2 ) などによる絶縁膜を通常の保護膜として形成しても良い。また、保護膜１３０の厚さは、材料の成分、形状、設定すべきしきい値電圧などにより決定されるので、0.1 〜10μm の範囲で通常使用され得る。しかし、厚さについて特に限定するものではない。
【実施例２】
【００３７】
図２−Ａ、図２−Ｂはそれぞれ、発光素子の基本構造１０を例示する平面図と、その基本構造１０を図示する中心線で切断した際のＡ方向から見た断面図である。図１の構成と対応する部分には同一番号が付されている。
図２−Ａでは、基本構造１０の最上部には透光性薄膜ｐ電極１１０（第２電極に相当）が形成されている。ただし、この最上部に位置する金属層は、厚く形成することによって、反射性金属層等に置き代えて、素子をフリップリップ型としても良い。また、オーミック性、密着性、透光性（または反射性）、電気抵抗、耐蝕性等を考慮して、複数の金属層から形成しても良い。
【００３８】
結晶成長基板１０１を形成する材料は、サファイア、窒化ガリウム(GaN) 、炭化シリコン(SiC) 、或いはその他の公知の結晶成長基板の材料から任意に選択して用いることができる。結晶成長基板１０１の結晶成長面上に直接結晶成長されたバッファ層１０２の上には、ｎ型コンタクト層１０４（第１層に相当）と発光層１０６とｐ型コンタクト層１０８（第２層に相当）とが、順次結晶成長によって積層されている。これらの半導体層を積層する際の結晶成長方法は任意で良い。また、上記の透光性薄膜ｐ型電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０８の積層後に、例えば蒸着などによって積層したものである。
【００３９】
ｎ型コンタクト層１０４の露出穴底面１０４ａと、各半導体層の側壁面Ｃは、上部からｎ型コンタクト層１０４の途中まで至るエッチングによって露出した面である。
各半導体層は、それぞれ複数の半導体層から形成しても良く、各半導体層の組成等の構成は、公知或いは任意のものを採用して良い。層構造は、簡略化されて示されており、図１の構造と同様に多数の機能層を有していても良い。
以下、本明細書では、この様な発光ダイオードの基本構造１０の側壁面Ｃ上の略全面にわたって、保護膜１３１を設ける実施形態を例示する。
【００４０】
図３は、本実施例２の発光ダイオード２００の断面図である。この発光ダイオード２００は、上記の基本構造１０（図２）を備えたものであり、図３に示される断面は、図２でＡ方向視される断面と同様の位置の断面を表したものである。
透光性薄膜ｐ電極１１０（第２電極に相当）は、更に詳細には図示していないが、ｐ型コンタクト層１０８に直接接合する膜厚約1.5nm のコバルト(Co)より成る第１層と、このコバルト膜（第１層）に接合する膜厚約6nm の金(Au)より成る第２層とで構成されている。
透光性薄膜ｐ電極１１０の上には、厚膜ｐ電極１２０（パッド電極）が形成されている。この厚膜ｐ電極１２０は、更に詳細には図示していないが、膜厚約18nmのバナジウム(V) より成る第１層と、膜厚約1.5 μm の金(Au)より成る第２層と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層を透光性薄膜ｐ電極１１０の上に、順次積層させることにより構成されている。
【００４１】
多層構造のｎ電極１４０（第１電極に相当）は、ｎ型コンタクト層１０４の露出穴底面１０４ａの上に、蒸着によって、膜厚約18nmのバナジウム(V) より成る第１層１４１と膜厚約100nm のアルミニウム(Al)より成る第２層１４２を順次積層することにより構成されている。第１層１４１にバナジウムを用いるのは、良好なオーミック性を確保するためである。
【００４２】
第１の保護膜１３１は、酸化亜鉛又は酸化亜鉛を主成分とする上記した組成のうち任意の組成のものである。第１の保護膜１３１はスパッタリング又は蒸着によって形成したものであり、ｎ型コンタクト層１０４の露出穴底面１０４ａを形成する際に、同時に露出した半導体層の側壁面Ｃの略全面にわたって成膜されている。即ち、ｎ電極１４０を囲う３方３面の側壁面Ｃの何れにも、第１の保護膜１３１が形成されている。更に、第１の保護膜１３１の裾は、透光性薄膜ｐ電極１１０上やｎ電極１４０上にまで及び、第１の保護膜１３１はこれらの電極に電気的に接続されている。
【００４３】
さらに、この第１の保護膜１３１の上に、銅(Cu)からなる金属層１６０と、酸化亜鉛からなる第２の保護膜１３２が順次蒸着によって積層されており、結果として、金属層１６０が保護膜の中に配置された構造になっている。第２の保護膜１３２も第１の保護膜１３１と同様にｎ電極１４０と透光性薄膜ｐ電極１１０と電気的に接続されている。第１の保護膜１３１も第２の保護膜１３２とを合わせた総合の厚さは1 μm である。
【００４４】
この構成では、第１の保護膜１３１、第２の保護膜１３２をサージ電流が流れるとき、内部の金属層１６０に誘導電流が流れ、この電流は渦電流損として消費される。このため、エネルギー吸収能力が向上する。本実施例においても、実施例１と同様に、第１の保護膜１３１、第２の保護膜１３２は発光ダイオード２００に対して汚染などの保護機能を兼ねる膜であっても良いし、第２の保護膜１３２の上や透光性薄膜ｐ電極１１０の上の略全体にさらに酸化珪素(SiO2 ) などによる絶縁膜を通常の保護膜として形成しても良い。本実施例では、図２に示すように、第１の保護膜１３１と第２の保護膜１３２は露出しているｎ型コンタクト層１０４の周囲の領域に、ｎ電極１４０を３方から取り囲むように形成されている。これは、本発明者らが、静電破壊がｎ電極１４０に近いこの周囲の各層において発生していることを発見したことに基づくものである。すなわち、この構成は、この静電破壊される部分において、保護膜１３１、１３２を形成することによって、効果的に素子の静電破壊が防止されることを狙ったものである。
【実施例３】
【００４５】
図４は、本実施例３の半導体発光素子３００の断面図である。この実施例は、図１に示す実施例１において、保護膜１３０の上に、アルミニウム(Al)から成るｎ電極の延長部１４３（第１電極に相当）が形成されている。透光性薄膜ｐ電極１１０上の保護膜１３０の厚さは5 μm に形成されている。この構成によると、ｐ型コンタクト層１０８の上部において、透光性薄膜ｐ電極１１０とｎ電極の延長部１４３との間に保護膜１３０が存在することになり、流れる電流断面積を大きくすることができ、エネルギー吸収量を大きくすることができる。この結果、静電耐圧が向上する。この構成において、実施例２のように、保護膜、金属層、保護膜の積層構造を採用しても良い。本実施例においても、実施例１と同様に、保護膜１３０は半導体発光素子３００に対して汚染などの保護機能を兼ねる膜であっても良いし、ｎ電極の延長部１４３の上面全体や透光性薄膜ｐ電極１１０の上の略全体にまで、さらに酸化珪素(SiO2 ) などによる絶縁膜を通常の保護膜として形成しても良い。
【実施例４】
【００４６】
図５は、本実施例４の半導体発光素子４００を示す断面図であり、図６はその平面図である。本実施例は、フリップチップ型の発光素子である。前実施例において対応する層には、同一番号が付されている。サファイヤ基板１０１の上には窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約200Åのバッファ層１０２が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaNから成る膜厚約4.0μmの高キャリア濃度ｎ+層であるｎ型コンタクト層１０４（第１層に相当）が形成されている。そして、層１０４の上にGaNとGa0.8In0.2Nからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０６が形成されている。発光層１０６の上にはマグネシウム(Mg)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成る膜厚約600Åのｐ型層１０７が形成されている。さらに、ｐ型層１０７の上にはマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成る膜厚約1500Åのｐ型コンタクト層１０８（第２層に相当）が形成されている。
【００４７】
また、ｐ型コンタクト層１０８の上には金属蒸着による多重厚膜電極であるｐ電極１５０（第２電極に相当）が形成され、ｎ型コンタクト層１０４上にはｎ電極１４０（第１電極に相当）が形成されている。ｐ電極１５０は、ｐ型コンタクト層１０８に接合する第１金属層１５１、第１金属層１５１の上部に形成される第２金属層１５２、更に第２金属層１５２の上部に形成される第３金属層１５３の３層構造である。
【００４８】
第１金属層１５１は、ｐ型コンタクト層１０８に接合する膜厚約0.3μmのロジウム(Rh)又は白金(Pt)より成る金属層である。また、第２金属層１５２は、膜厚約1.2μmの金(Au)より成る金属層である。また、第３金属層１５３は、膜厚約30Åのチタン(Ti)より成る金属層である。
【００４９】
２層構造のｎ電極１４０は、膜厚約175Åのバナジウム(V)層１４１と、膜厚約1.8μmのアルミニウム(Al)層１４２とをｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上から順次積層させることにより構成されている。
【００５０】
このように形成されたｐ電極１５０の上面の可なりの部分に、酸化亜鉛を主成分とする組成物から成る保護膜１３３が３μｍの厚さに形成されている。そして、その保護膜１３３の上にアルミニウムから成るｎ電極の延長部１４３が形成されており、その延長部１４３は、ｐ電極１５０の上面において、保護膜１３３を介してｐ電極１５０と対向している。ｐ電極１５０の露出部と、ｎ電極１４０の露出部がバンプと接続される。このように、フリップチップ型の発光素子では、ｐ電極１５０上に比較的大面積の保護膜１３３を形成することができるので、エネルギー吸収量を増大させて、静電耐圧を向上させることができる。また、保護膜１３３の厚さを変化させたり、保護膜１３３の成分を調整することにより、保護膜１３３の通電開始電圧（しきい値電圧）を制御することが可能となる。
【００５１】
本実施例において、図１の実施例１のように、延長部１４３を設けずに、ｐ電極１５０とｎ電極１４０とを接続するように保護膜１３３を構成しても良い。図３の実施例２のように保護膜を複数の層として、間に金属層を介在させても良く、すなわち、図５の例において、保護膜１３３の中に金属層を形成しても良い。さらに、実施例１と同様に、保護膜１３３は半導体発光素子４００に対して汚染などの保護機能を兼ねる膜であっても良いし、ｎ電極の延長部１４３の上面全体やｐ電極１５０の上の略全体にまで、さらに酸化珪素(SiO2 ) などによる絶縁膜を通常の保護膜として形成しても良い。  
【実施例５】
【００５２】
図７は、本実施例５の発光ダイオード５００の断面図である。この実施例は、図１に示す実施例１において、保護膜１３０の上に、アルミニウム(Al)から成る透光性薄膜ｐ電極１１０に電気的に接続した透光性薄膜ｐ電極の延長部１１５（第２電極に相当）が形成されている。ただし、保護膜１３０はｎ電極１４０の上に可なりの面積において張り出している。そして、この延長部１１５の上に酸化珪素(SiO2 ) などによる絶縁膜１７０が形成されている。この構成によると、ｎ電極１４０の上では、ｎ電極１４０と透光性薄膜ｐ電極の延長部１１５との間に保護膜１３０が存在することになり、流れる電流断面積を大きくすることができ、エネルギー吸収量を大きくすることができる。この結果、静電耐圧が向上する。この構成において、実施例２のように、保護膜、金属層、保護膜の積層構造を採用しても良い。本実施例においても、実施例１と同様に、保護膜１３０は半導体発光素子５００に対して汚染などの保護機能を兼ねる膜であっても良いし、絶縁膜１７０は透光性薄膜ｐ電極の延長部１１５の上面全体だけでなく、透光性薄膜ｐ電極１１０の上の略全体にまで形成されていても良い。この構造は、ワイヤボンディング型とフリップチップ型の発光素子の両者においても適用できる。
【実施例６】
【００５３】
図８は、本実施例６の発光ダイオード６００の断面図である。この実施例は、ドーパントを添加したシリコン基板などの導電性基板１９０を用いて半導体素子の対向する２面に２つの電極を形成した半導体発光素子の例である。この発光素子の場合には、上記実施例と同様に基板の主面に平行な面から光を取り出す面発光型と、その主面に垂直な面から光を取り出す端面発光型の両者に適用可能である。ｎ電極１４５は導電性基板１９０の裏面全体に形成されている。その他の層構成は、図５に示す実施例と同様である。保護膜１３４は、ｐ電極１５０のバンプ接続又はワイヤボンディング領域を除く略全面と、素子の側壁と導電性基板１９０の裏面の一部にまで形成されている。そして、ｎ電極１４５の延長部１４６がその保護膜１３４の全上面に形成されている。
【００５４】
この構造を採用することにより、ｐ電極１５０とｎ電極の延長部１４６とが、その間に保護膜１３４を介在させて対向することになる。この結果、保護膜１３４を流れる電流の断面積が大きくなり、サージエネルギーの吸収量が多くなり、静電耐圧が向上する。この実施例においても、実施例２のように、保護膜、金属層、保護膜の積層構造を採用しても良い。本実施例においても、実施例１と同様に、保護膜１３４は半導体発光素子６００に対して汚染などの保護機能を兼ねる膜であっても良いし、さらに、酸化珪素(SiO2 ) 等の絶縁膜をｎ電極の延長部１４６の上面全体に形成しても良い。
【００５５】
上記したように、本件発明を用いることにより、素子チップのままで（外部にサージ吸収素子などを特別に付加することなく）静電耐圧を飛躍的に向上させることができる。また、ウエハやチップ構造において、既に、静電耐圧の保護が達成される結果、製造工程において静電耐圧に対する対策を講じる必要がなくなり、製造効率も向上するものである。本件発明ば、III-Ｖ族窒化物化合物半導体を用いた半導体素子の静電耐圧を向上させることができ、極めて有効な技術である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、発光ダイオードの他にも、半導体レーザ等の半導体発光素子にも応用することができる。その他、受光素子、太陽電池、トランジスタなどの電子デバイスにも応用することができる。本発明を用いれば、静電耐圧に弱点を有するIII-Ｖ族窒化物化合物半導体を用いた半導体素子の静電耐圧を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体発光素子の断面図。
【図２−Ａ】発光素子の基本構造を例示した平面図。
【図２−Ｂ】発光素子の基本構造のＡ方向視の断面図。
【図３】本発明の実施例２に係る発光ダイオードの断面図。
【図４】本発明の実施例３に係る半導体発光素子の断面図。
【図５】本発明の実施例４に係る半導体発光素子の断面図。
【図６】本発明の実施例４に係る半導体発光素子の平面図。
【図７】本発明の実施例５に係る発光ダイオードの断面図。
【図８】本発明の実施例６に係る発光ダイオードの断面図。
【図９】保護膜の非線形抵抗特性を示した特性図。
【符号の説明】
【００５８】
１００…半導体発光素子
１０１…サファイア基板
１０２…バッファ層
１０４…ｎ型コンタクト層（第１層）
１０５…ｎ型半導体層
１０６…発光層
１０７…ｐ型層
１０８…ｐ型コンタクト層
１１０…透光性薄膜ｐ電極（第２電極）
１１５…延長部（透光性薄膜ｐ電極の延長部）
１３０，１３３，１３４…保護膜
１３１…第１の保護膜
１３２…第２の保護膜
１４０…ｎ電極（第１電極）
１４３…延長部（ｎ電極の延長部）
１６０…金属層
１７０…絶縁膜
【図１】
2005136177.tif 000003
【図２−Ａ】
2005136177.tif 000004
【図２−Ｂ】
2005136177.tif 000005
【図３】
2005136177.tif 000006
【図４】
2005136177.tif 000007
【図５】
2005136177.tif 000008
【図６】
2005136177.tif 000009
【図７】
2005136177.tif 000010
【図８】
2005136177.tif 000011
【図９】
2005136177.tif 000012