(57)【要約】【課題】  本発明は電極の透過率を改善すると同時に良質のオーミック接触を形成することにより輝度特性及び駆動電圧特性を改善させた半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。【解決手段】  本発明は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板と、前記基板上に形成され第1導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る下部クラッド層と、前記下部クラッド層の一部領域に形成されアンドープされた窒化ガリウム系半導体物質から成る活性層と、前記活性層上に形成され第2導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成され水素貯蔵合金から成る合金層と、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。本発明によると、窒化ガリウム半導体発光素子の輝度特性を改善し、オーミック抵抗を減少させ、より優れた特性を有するオーミックコンタクトが形成できる。【選択図】図１
2005116997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板と、
前記基板上に形成され第1導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の一部領域に形成されアンドープされた窒化ガリウム系半導体物質から成る活性層と、
前記活性層上に形成され第2導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成され水素貯蔵合金から成る合金層と、
を含む窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】
前記合金層は、Mn系水素貯蔵合金、La系水素貯蔵合金、Ni系水素貯蔵合金、及びMg系水素貯蔵合金で成るグループから選択された一合金から成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。
【請求項３】
前記Mn系水素貯蔵合金はMnNiFeまたはMnNiであることを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項４】
前記La系水素貯蔵合金はLaNi5であることを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】
前記Ni系水素貯蔵合金はZnNi、MgNiであることを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項６】
前記Mg系水素貯蔵合金はZnMgであることを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項７】
前記合金層は10Åないし100Åの厚さを有す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。
【請求項８】
前記合金層上に形成され、Au、Pt、Ir及びTaで成るグループから選択された一金属から成る第1金属層をさらに含む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。
【請求項９】
前記第1金属層は100Å以下の厚さを有することを特徴とする請求項8に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第1金属層の厚さは合金層の厚さと同じかそれより厚いことを特徴とする請求項8に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１１】
前記合金層上に形成され、Rh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から成る第2金属層をさらに含む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。
【請求項１２】
前記第2金属層の厚さは500Åないし10000Åである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。
【請求項１３】
窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板を設ける段階と、
前記基板上に第1導電型窒化ガリウム系半導体物質で下部クラッド層を形成する段階と、
前記下部導電型クラッド層上にアンドープされた窒化ガリウム系半導体物質で活性層を形成する段階と、
前記活性層上に第2導電型窒化ガリウム系半導体物質で上部クラッド層を形成する段階と、
前記少なくとも上部クラッド層と活性層の一部領域を除去して前記下部クラッド層の一部を露出させる段階と、
前記上部クラッド層の上面に水素貯蔵合金から成る合金層を形成する段階と、
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１４】
前記合金層を形成する段階は、前記上部クラッド層の上面に、Mn系水素貯蔵合金、La系水素貯蔵合金、Ni系水素貯蔵合金及びMg系水素貯蔵合金で成るグループから選択された一合金から成る合金層を形成する段階であることを特徴とする請求項13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１５】
前記Mn系水素貯蔵合金はMnNiFeまたはMnNiであることを特徴とする請求項14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１６】
前記La系水素貯蔵合金はLaNi5であることを特徴とする請求項14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１７】
前記Ni系水素貯蔵合金はZnNi、MgNiであることを特徴とする請求項14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１８】
前記Mg系水素貯蔵合金はZnMgであることを特徴とする請求項14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１９】
前記合金層を形成する段階は、前記上部クラッド層上に10Åないし100Åの厚さで合金層を形成する段階であることを特徴とする請求項13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２０】
前記合金層を形成する段階は、前記上部クラッド層上に合金層を電子ビーム蒸発法(E-beam evaporator)により成長させる段階であることを特徴とする請求項13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２１】
前記上部クラッド層の表面を400℃以下の温度においてUV処理、プラズマ処理または熱処理する段階をさらに含む請求項13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２２】
前記合金層上に、Au、Pt、Ir及びTaで成るグループから選択された一金属から成る第1金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項13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２３】
前記第1金属層を形成する段階は、前記合金層上に100Å以下の厚さで第1金属層を形成する段階であることを特徴とする請求項22に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２４】
前記第1金属層を形成する段階は、前記合金層上に第1金属層を電子ビーム蒸発法により成長させる段階であることを特徴とする請求項22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２５】
前記第1金属層を形成する段階は、前記第1金属層の厚さが前記合金層の厚さと同じかそれより厚くなるよう第1金属層を形成する段階であることを特徴とする請求項22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２６】
前記合金層及び第1金属層を熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項22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２７】
前記合金層及び第1金属層を熱処理する段階は、200℃以上の温度において少なくとも10秒間前記合金層及び第1金属層を熱処理する段階であることを特徴とする請求項26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２８】
前記合金層上に、Rh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から成る第2金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項13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２９】
前記第2金属層を形成する段階は、前記合金層上に500Åないし10000Åの厚さで第2金属層を形成する段階であることを特徴とする請求項28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３０】
前記第2金属層を形成する段階は、前記合金層上に第2金属層を電子ビーム蒸発法により成長させる段階であることを特徴とする請求項28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３１】
前記窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、前記合金層及び第2金属層を熱処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項28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３２】
前記合金層及び第2金属層を熱処理する段階は、200℃以上の温度において少なくとも10秒間前記合金層及び第2金属層を熱処理する段階であることを特徴とする請求項31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】
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に関するもので、より詳しくは、電極の透過率を改善すると共に良質のオーミック接触を形成することにより、良好な輝度特性を有し、低い駆動電圧で作動する窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近頃、新たな映像情報の伝達媒体として浮上してきたLED(発光素子)電光板は、初期の単なる文字や数字情報から始まり、現在各種CF映像物、グラフィック、ビデオ画面などの動画像を提供するレベルにまで至った。色相も従来の単色粗雑な画面の具現から赤色と黄緑色のLEDなど制限された範囲の色相が具現され、最近は窒化ガリウム(GaN)系半導体を用いた高輝度青色LEDの登場に伴い赤色、黄緑、青色を使った総天然色表示がついに可能になった。しかし、黄緑色LEDが赤色、青色LEDより輝度が低く発光波長が565nmほどと光の三原色に必要な波長の緑でない為自然な総天然色の表現はできなかったが、以後自然な総天然色表示に適した波長525nmの高輝度純粋緑色窒化ガリウム系半導体LEDを生産することにより解決された。
【０００３】
このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は一般に絶縁性基板のサファイア基板上に成長され得るので、GaAs系発光素子のように基板の背面に電極を形成することができず、両電極すべてを結晶成長した半導体層側に形成しなければならない。こうした従来の窒化ガリウム系発光素子の構造が図６に例示してある。
【０００４】
図６によると、窒化ガリウム系発光素子(20)は、サファイア成長基板(11)、前記サファイア成長基板(11)上に順次形成された第1導電型半導体物質の下部クラッド層(13)、活性層(14)、及び第2導電型半導体物質の上部クラッド層(15)を含む。
【０００５】
前記下部クラッド層(13)はn型GaN層(13a)とn型AlGaN層(13b)から成ることができ、前記活性層(14)は多重量子井戸(Multi-Quantum Well)構造のアンドープInGaN層から成ることができる。また、前記上部クラッド層(15)はp型GaN層(15a)とp型AlGaN層(15b)から成ることができる。一般に、前記半導体結晶層(13、14、15)はMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの工程により成長させることができる。この際、n型GaN層(13a)を成長させる前にサファイア基板(11)との格子整合を向上させるべく、AlN/GaNのようなバッファ層(図示せず)を予め形成することもできる。
【０００６】
先に説明したように、前記サファイア基板(11)は電気的に絶縁性物質なので、両電極を全て上面に形成すべく、所定の領域に該当する上部クラッド層(15)と活性層(14)をエッチングして下部クラッド層(13)、より具体的にはn型GaN層(13a)の一部上面を露出させ、その露出したn型GaN(13a)層の上面に第1電極(21)を形成する。
【０００７】
一方、前記p型GaN層(15a)は相対的に高い抵抗を有するので、通常の電極でオーミックコンタクト(Ohmic Contact)を形成できる追加的な層が必要となる。このため、米国特許番号5,563,422号(出願人：Nichia Chemical Industries, Ltd.、登録公告日：1996.10.08)においては、p型GaN層(15a)の上面に第2電極(22)を形成する前に、オーミックコンタクトを形成すべくNi/Auから成る透明電極を形成する案を開示している。前記透明電極(18)は電流注入面積を増加させながらもオーミックコンタクトを形成して順方向電圧(Vf)を低下させる効果がある。しかし、Ni/Auから成る透明電極(18)は熱処理過程を用いて処理されても約60%ないし70%の低い透過率を示す。こうした低透過率は、発光素子を用いてワイヤボンディングによりパッケージを具現する際、全体の発光効率を低下させることになる。
【０００８】
こうした低透過率の問題を克服すべく、Ni/Au層に代わって透過率が約90%以上であると知られるITO(Indium Tin Oxide)層を形成する案が開示されている。しかし、ITOはGaN結晶に対して接着力が弱いばかりでなく、p型GaNの仕事関数は7.5eVであるのに比してITOの仕事関数は4.7〜5.2eVなので、ITOをp型GaN層に直接蒸着する場合、オーミックコンタクトが形成されない。したがって、仕事関数の差を緩めオーミックコンタクトを形成すべく、従来は前記p-GaN上にZnなどの仕事関数が低い物質をドープしたりCをハイ(high)ドープしてp-GaNの仕事関数を減少させ、ITOの蒸着を試みた。しかし、ドープされたZnまたはCは高い移動性を有し、長時間使用するとp型GaN層に拡散しかねなく、これにより素子の信頼性が低下してしまうとの問題がある。
【０００９】
したがって、当技術分野においてはGaN発光素子の電極を形成すべく、高透過率を保つ同時にp-GaN層と電極間の良好なオーミックコンタクトが形成できる窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法が要求される実状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前述した問題点を解決すべく案出されたもので、その目的は高い透過率を有する同時にp型GaN層との接触抵抗問題を改善した電極が形成される窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は前記窒化ガリウム系半導体発光素子を製造するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を成し遂げるために本発明は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板と、前記基板上に形成され第1導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る下部クラッド層と、前記下部クラッド層の一部領域に形成されアンドープされた窒化ガリウム系半導体物質から成る活性層と、前記活性層上に形成され第2導電性窒化ガリウム系半導体物質から成る上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成され水素貯蔵合金から成る合金層と、を含む窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。
【００１３】
前記合金層は、Mn系水素貯蔵合金、La系水素貯蔵合金、Ni系水素貯蔵合金及びMg系水素貯蔵合金で成るグループから選択された一合金から成ることが好ましい。とりわけ、前記Mn系水素貯蔵合金はMnNiFeまたはMnNiで、前記La系水素貯蔵合金はLaNi5で、前記Ni系水素貯蔵合金はZnNi、MgNiで、前記Mg系水素貯蔵合金はZnMgであることができ、その厚さは10Åないし100Åであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の好ましき実施形態は、前記合金層上に形成され、Au、Pt、Ir及びTaで成るグループから選択された一金属から成る第1金属層をさらに含むことができ、前記第1金属層は100Å以下の厚さを有し、前記第1金属層の厚さは合金層の厚さと同じかそれより厚いことが好ましい。
【００１５】
一方、本発明の他の実施形態は、前記合金層上に形成され、Rh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から成る第2金属層をさらに含むことができ、前記第2金属層の厚さは500Åないし10000Åであることができる。
【００１６】
また、本発明は前記窒化ガリウム系半導体発光素子を製造する方法を提供する。前記窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板を設ける段階と、前記基板上に第1導電型窒化ガリウム系半導体物質で下部クラッド層を形成する段階と、前記下部導電型クラッド層上にアンドープされた窒化ガリウム系半導体物質で活性層を形成する段階と、前記活性層上に第2導電型窒化ガリウム系半導体物質で上部クラッド層を形成する段階と、前記少なくとも上部クラッド層と活性層の一部領域を除去して前記下部クラッド層の一部を露出させる段階と、前記上部クラッド層の上面に水素貯蔵合金から成る合金層を形成する段階と、を含む。
【００１７】
前記合金層を形成する段階は、前記上部クラッド層上に合金層を電子ビーム蒸発法(E-beam evaporator)により成長させる段階であることが好ましい。
【００１８】
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は、前記上部クラッド層表面を400℃以下の温度においてUV処理、プラズマ処理または熱処理する段階をさらに含むことができ、前記合金層上にAu、Pt、Ir及びTaで成るグループから選択された一金属から成る第1金属層を形成する段階をさらに含むか、前記合金層上にRh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から成る第2金属層を形成する段階をさらに含むことができる。
【００１９】
前記第1金属層は、前記合金層上に100Å以下の厚さで電子ビーム蒸発法により成長させることが好ましく、前記第1金属層の厚さが前記合金層の厚さと同じか厚くなることが好ましい。また、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は、前記合金層及び第1金属層を熱処理する段階をさらに含み、前記熱処理は200℃以上の温度において少なくとも10秒間行うことが好ましい。
【００２０】
一方、前記第2金属層は、前記合金層上に500Åないし10000Åの厚さで電子ビーム蒸発法により成長させることが好ましい。また、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は、前記合金層及び第2金属層を熱処理する段階をさらに含み、前記熱処理は200℃以上の温度において少なくとも10秒間行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
前述したように、本発明によると、従来のNi/Auを用いた窒化ガリウム系半導体発光素子に比して高い輝度を有する半導体発光素子の作製が可能である。また、Mn系合金、La系合金、Ni系及びMg系合金で成るグループから選択された一合金のような水素貯蔵合金から成る合金層をp型GaN層上に形成してp型GaN層の不純物であるMgと水素との結合を防止することにより、前記不純物Mgを活性化して、オーミック抵抗を減少させ、より優れた特性を有するオーミックコンタクトを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
添付の図面を参照しながら、本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子についてより詳しく説明する。
【００２３】
図１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構造を示した断面図である。図１によると、窒化ガリウム系半導体発光素子(40)は、窒化ガリウム系半導体物質の成長のためのサファイア基板(31)と、前記サファイア基板(31)上に順次形成された第1導電型半導体物質の下部クラッド層(33)と、活性層(34)と、第2導電型半導体物質の上部クラッド層(35)と、水素貯蔵合金から成る合金層(37)と、を含む。
【００２４】
第1導電型半導体物質から成る前記下部クラッド層(33)はn型GaN層(33a)とn型AlGaN層(33b)から成ることができ、前記活性層(34)は多重量子井戸構造(Multi-Quantum Well)のアンドープInGaN層から成ることができる。また、第2導電型半導体物質から成る前記上部クラッド層(35)はp型GaN層(35a)とp型AlGaN層(35b)から成ることができる。一般に前記半導体結晶層(33、34、35)はMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの工程を用いて成長させることができる。この際、n型GaN層(13a)を成長させる前にサファイア基板(11)との格子整合を向上させるべく、AlN/GaNのようなバッファ層(図示せず)を予め形成することもできる。
【００２５】
所定の領域に該当する上部クラッド層(35)と活性層が除去された領域に前記下部クラッド層の上面一部が露出する。その露出した下部クラッド層(33)、とりわけ図１においてn型GaN層(33a)の上面に第1電極(41)が配置される。
【００２６】
さらに、第2電極(42)は金属層(38)上に形成される。p型GaN層(35a)はn型GaN層(33a)に比して相対的に高い抵抗と大きい仕事関数(約7.5eV)を有するので、前記p型GaN層(35a)と第2電極(42)との間にオーミックコンタクトを形成する同時に一定レベルの透過率を保つべく、合金層(37)及び金属層(38)をさらに形成する。本発明に用いられる合金層(37)は、Mn系水素貯蔵合金、La系水素貯蔵合金、Ni系水素貯蔵合金、及びMg系水素貯蔵合金で成るグループから選択された一合金から成る。前記Mn系水素貯蔵合金はMnNiFeまたはMnNiであることができ、前記La系水素貯蔵合金はLaNi5であることができ、前記Ni系水素貯蔵合金はZnNi、MgNiであることができ、前記Mg系水素貯蔵合金はZnMgであることができる。
【００２７】
一般に水素貯蔵合金は、水素と化学的に反応して金属の表面に水素を吸着させられる合金であり水素吸収貯蔵合金ともいう。この水素貯蔵合金は温度を下げたり圧力を上げると、水素を吸収して金属水素化合物となりながら熱を放出し、逆に温度を上げたり圧力を下げると再び水素を放出して熱を吸収する性質を呈す金属材料である。
【００２８】
本発明に用いる水素貯蔵合金はMn系水素貯蔵合金、 La系水素貯蔵合金、Ni系水素貯蔵合金、及びMg系水素貯蔵合金から前記合金層(37)を形成する。前記合金層(37)においては、水素貯蔵合金の特性を利用して、前記p型GaN層(35a)の表面に存在する水素イオンを吸収し前記p型GaNの不純物に用いられるMgと前記水素イオンとの結合を防止する。
【００２９】
前記p型GaN層(35a)はMgを不純物に用いて大変低い濃度でドープされる。とりわけ、前記p型GaN層(35a)の表面に存在する水素イオンと前記不純物Mgとが結合し合ってMg濃度はより減少する。こうして前記p型GaN層のオーミック抵抗はより増加することになる。本発明においては、前記合金層(37)を形成するMnNiFeまたはMnNiなどのMn系水素貯蔵合金、LaNi5などのLa系水素貯蔵合金、NiZn、MgNiなどのNi系水素貯蔵合金またはZnMgなどのMg系水素貯蔵合金を約10Åないし100Åの厚さで前記p型GaN層の上面に蒸着してから熱処理すると、前記水素貯蔵合金がp型GaN層表面の水素を吸収して水素とp型GaN層内の不純物であるMgとの結合を防止することにより、p型GaN層表面のMg(不純物)を活性化させオーミック抵抗を減少させるようになる。前記合金層(37)は透過率が低いので、全体の透過率の低下を防止すべく、前記合金層(37)は好ましくは約100Å以下の厚さで形成され、より好ましくは約50Åの厚さで形成され、充分な水素イオンの吸収のために10Å以上の厚さで形成することが好ましい。
【００３０】
さらに、本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子は水素貯蔵合金を用いて形成された前記合金層の上面に金属層(38)を形成することができる。前記金属層は半導体発光素子のパッケージ方法に応じて2種に形成することができる。先ず、一般のワイヤボンディング方式によりパッケージングされる半導体発光素子においては、前記合金層上にAu、Pt、Ir及びTaで成るグループから選択された一金属から成る第1金属層を形成することができる。次に、フリップチップボンディング方式によりパッケージングされる半導体発光素子においては、前記合金層上にRh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から成る第2金属層を形成することができる。図１においては前記第1金属層及び第2金属層を区別せず図面符合38で記してある。
【００３１】
先ず、第1金属層(38)もやはりオーミックコンタクトの改善と良好な電流拡散のために用いられるものであり、前記合金層の上面にAu、Pt、Ir及びTaで成るグループから選択された一金属から形成される。前記合金層(37)は透過率の低下を防止すべく、好ましくは約100Å以下の厚さで形成され、より好ましくは約50Åの厚さで形成される。また、前記第1金属層(38)の厚さは前記合金層(37)の厚さとほぼ同じかより厚いことが好ましい。前記第1金属層(38)及び合金層(37)の厚さについては下記において詳しく説明する。
【００３２】
一方、前記第2金属層(38)は、半導体発光素子がフリップチップボンディング方式により他回路基板またはリードフレームに実装される場合に形成されるものであり、Rh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から形成される。フリップチップボンディング方式を用いた本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子をパッケージングした一例が図２に示してある。図２のように、本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子(40')は他回路基板(51)の上面に形成された金属パターン(52)上にバンプ(53)を用いてその電極(41、42)が直接連結され、活性層(34)から生成された光は反射膜の役目を果たす前記第2金属層(38)に反射されサファイア基板(31)側に放出される。このように、フリップチップボンディング方式を用いると生成される青色光がサファイア基板(31)側に放出され、ここで、前記金属層(38)は反射膜の役目を果たすRh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から形成される。この際、前記金属層(38)の厚さは充分な反射を行うべく前記第1金属層より厚い500Åないし1000Åの厚さを有することが好ましい。以下の説明において「金属層」という用語は前記第1金属層及び第2金属層をすべて含むことにする。
【００３３】
図３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斜視図である。
【００３４】
先ず、図３（ａ）のように窒化ガリウム系半導体物質を成長させるための基板(111)に、第1導電型半導体物質から成る下部クラッド層(113)と、活性層(114)、及び第2導電型半導体物質から成る上部クラッド層(115)を順次形成する。前記成長用基板(111)はサファイア基板であることができ、前記下部クラッド層(113)及び上部クラッド層(115)は図１に示した実施形態のように夫々GaN層とAlGaN層から形成されることができ、MOCVD工程によることができる。
【００３５】
次いで、図３（ｂ）のように前記下部クラッド層(113)の一部領域(113a)が露出されるべく、前記少なくとも上部クラッド層(115)と活性層(114)の一部を除去する。前記下部クラッド層(113)の露出した領域(113a)は電極が形成される領域とされる。本除去工程による構造物の形状は電極を形成しようとする位置に応じて多様な形態に変更することができ、電極形状及び大きさも多様に変形可能である。例えば、本工程は一辺に接する領域を除去する形で具現してもよく、電流密度を分散させるべく電極の形状も辺に沿って延長された構造に形成してもよい。
【００３６】
次に、図３（ｃ）のように、前記上部クラッド層(115)上に順次合金層(117)及び金属層(118)を形成する。本発明において、前記合金層(117)はオーミックコンタクト形成のためにMn系合金、La系合金、Ni系、及びMg系合金で成るグループから選択された一合金から成る。先に説明したように、前記Mn系合金はMnNiFeまたはMnNiであることができ、前記La系合金はLaNi5であることができ、前記Ni系合金はZnNi、MgNiであることができ、前記Mg系合金はZnMgであることができる。また、前記金属層(118)はAu、Pt、Ir、Ta、Rh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から成る。こうした合金層(117)及び金属層(118)は水素イオンによる接触抵抗増加を防止すべく電子ビーム蒸発法(E-beam evaporator)を施すことが好ましい。一方、前記合金層(117)を形成する前に、前記上部クラッド層(115)の表面に存在する水素イオンを除去すべく、前記上部クラッド層(115)の表面を400℃以下の温度においてUV処理、プラズマ処理または熱処理することが好ましい。
【００３７】
この際、前記合金層及び金属層はメッシュ形状で形成されることができる。前記合金層及び金属層をメッシュ形状で形成する場合には、図３（ｂ）のように設けられた上部クラッド層の上面に所望のメッシュ形状の逆相となる逆メッシュ相でフォトレジストをパターニングし、次いで前記上部クラッド層上にメッシュ形状の合金層及び金属層を順次蒸着した後、リフトオフ(lift-off)工程でフォトレジストを除去する過程によりメッシュ形状の合金層及び金属層を形成することができる。しかし、先に説明したように、メッシュ形態の合金層と金属層を形成する実施形態は本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子を限定するわけではない。
【００３８】
最終的に、図３（ｄ）のように前記下部クラッド層(113)の一部が露出した領域(113a)と前記金属層(118)の上部に夫々第1電極(121)と第2電極(122)を形成する。図３（ｄ）の電極形成工程前に、オーミックコンタクト及び透過率などの特性を向上させるべく、前記合金層(117)及び金属層(118)を熱処理する段階をさらに行うことができる。こうした合金層(117)及び金属層(118)の熱処理は、大気(air)雰囲気下で約200℃以上の温度において少なくとも30秒間実施することが好ましい。
【００３９】
先に説明したように、前記合金層(117)は水素の吸収を容易にすべく10Å以上の厚さを有し、透過率の低下を防止すべく100Å以下の厚さを有することが好ましく、前記金属層(118)がAu、Pt、Ir及びTaで成るグループから選択された一金属である第1金属層の場合には、透過率の低下を防止すべくその厚さが100Å以下であることが好ましい。この際、前記第1金属層の厚さは前記合金層(117)の厚さと実質的に同じかそれより厚いことが好ましい。また、前記金属層(118)がRh、Al及びAgで成るグループから選択された一金属から成る第2金属層である場合には、前記第2金属層は反射膜の役目を果たすものであり500Åないし10000Åの厚さで形成することが好ましい。
【００４０】
前記合金層(117)と第1金属層の厚さによる特性を説明すべく、下記表1は前記合金層(117)と第1金属層の厚さ比及び前記熱処理温度を変化させながらオーミックコンタクト及び透過率の特性を測定した結果を示す。下記表1に示した実験において、前記合金層(117)にはLaNi5を使用し、前記第1金属層にはAuを使用した。
【表１】
2005116997.tif 000003
表1によると、合金層(117)の厚さが第1金属層の厚さより厚い場合、著しく高い駆動電圧を示し輝度も著しく低かった。これは前記実験に用いた熱処理温度の条件がオーミックコンタクトの形成に充分でなく、充分な酸化(oxidation)が行われないことから光の透過率が下がるためである。そして、第1金属層の厚さが合金層(117)の厚さより厚い場合、駆動電圧には変動が無いが輝度が低く測定された。これは第1金属層の厚さが80Åとやや厚く、透過率が低下したからである。一方、前記合金層(117)及び第1金属層の厚さがすべて50Åである場合、駆動電圧及び輝度の特性が最も良いことがわかる。即ち、前記合金層(117)及び第1金属層(118)の厚さ比が1:1の場合に最も良好なオーミック接触及び透過率を呈することがわかる。したがって、前記第1金属層の厚さは、前記合金層(117)の厚さと実質的に同一かそれより厚いことが好ましく、その厚さ比が1:1であることが最も好ましい。
【００４１】
図４は従来の窒化ガリウム系半導体発光素子のNi/Au層の非接触抵抗(specific contact resistance)及び本発明の合金層/金属層(とりわけ、LaNi5/Au層)の非接触抵抗とを比較した実験及びその結果を示したものである。図４（ａ）は非接触抵抗の測定に用いたTLM(Transmission Length Mode)パターンであり、p-GaNウェーハにNi/Au及び本発明による合金層/金属層を図４（ａ）のようにパターン形成して各パターン間隔同士の抵抗を測定する実験を行った。その結果は図４（ｂ）に示した。
【００４２】
図４（ｂ）は図４（ａ）のようなTLMパターンを使用した実験中線形性(linearity)に優れた10μｍないし30μｍ区間の抵抗を示したものである。図４（ｂ）に示したように本発明による合金層/金属層の抵抗(63)が従来のNi/Au抵抗(61)より小さいことがわかる。図４（ｂ）に示した抵抗値を基に算出したNi/Au層の非接触抵抗及び本発明の合金層/金属層の非接触抵抗を比較したグラフが図４（ｃ）に図示されている。
【００４３】
図４（ｃ）によると、本発明による合金層/金属層の非接触抵抗(67)は約5.7×10-5Ωで、従来のNi/Au層の非接触抵抗(65)の約7.4×10-5Ωより優れていることがわかる。このように非接触抵抗が従来用いられるNi/Au層より低いので、より良好なオーミックコンタクトが形成され、電流注入特性が改善され、駆動電圧が減少する効果がある。
【００４４】
図５は従来のNi/Au層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度と本発明による合金層/金属層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度とを比較したグラフである。図５の実験において、前記合金層はLaNi5を使用し、前記金属層にはAuを使用した。図５（ａ）は500℃の同じ熱処理温度において合金層/金属層の厚さを変化させながら測定した輝度を示したグラフである。図５（ａ）のように、合金層/金属層の厚さが50Å/25Åの場合(72a)には従来のNi/Au層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子(70a)より輝度が多少劣り、合金層/金属層の厚さが50Å/80Åの場合(76a)には従来のNi/Au層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子(70a)と等しい輝度を示した。しかし、本発明の最も好ましき実施形態である合金層/金属層の厚さが50Å/50Åの場合(74a)には、従来のNi/Au層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子(70a)より顕著に高い輝度を示した。
【００４５】
図５（ｂ）は合金層/金属層の厚さを50Å/50Åに保たせたまま熱処理温度を変化させた場合の輝度を測定したグラフである。熱処理温度が450℃(72b)、500℃(74b)、550℃(76b)では、すべて従来のNi/Au層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子(70b)より高い輝度特性を示した。したがって、本発明によると、従来の窒化ガリウム系半導体発光素子より高い輝度特性を有する半導体発光素子の作製が可能になる。
【００４６】
本発明は前述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定され、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で多様な形態の置換、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者には自明なことである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示した断面図である。
【図２】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構造を示した断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による窒化ガリウム半導体発光素子がフリップチップボンディング方式でパッケージングされた一例を示した例示図である。
【図４】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斜視図である。
【図５】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子のNi/Au層の非接触抵抗と、本発明の合金層/金属層の非接触抵抗とを比較した実験及びその結果を示した図面である。
【図６】従来のNi/Au層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度と、本発明による合金層/金属層を用いた窒化ガリウム系半導体発光素子の輝度とを比較したグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
31、111 サファイア基板
33、113 下部クラッド層
34、114 活性層
35、115 上部クラッド層
37、117 合金層
38、118 ITO層
41、121 第1電極
42、122 第2電極
【図１】
2005116997.tif 000004
【図２】
2005116997.tif 000005
【図３】
2005116997.tif 000006
【図４】
2005116997.tif 000007
【図５】
2005116997.tif 000008
【図６】
2005116997.tif 000009