(57)【要約】【課題】  良好なオーミック特性がえられ、信頼性も改善された半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  ｐ型コンタクト層と接触するコンタクト金属として、銀、または、銀と金との混合物のいずれかを用いることにより、ｐ型コンタクト層とのオーミック接触を大幅に改善することができる。また、素子のｎ側において、ｎ側コンタクト金属層の上にタングステン層を設けることにより、バリア効果を維持しつつ、オーミック接触を改善することができる。さらに、ｐ側コンタクト電極層を形成した後に還元性雰囲気で熱処理を施すことによりオーミック接触を改善することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型の窒化物系半導体からなる第１の層と、
ｎ型の窒化物系半導体からなる第２の層と、
前記第１の層に接触して設けられたｐ側電極と、
前記第２の層に接触して設けられたｎ側電極と、
を備え、
前記ｐ側電極は、前記第１の層に接触して設けられ銀（Ａｇ）を含有するコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン（Ｗ）からなる層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記タングステン（Ｗ）からなる層の上に、金属酸化物からなる透光性導電膜が設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記透光性導電膜の上に設けられたオーバーコート層をさらに備え、
前記オーバーコート層は、
前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル（Ｎｉ）からなる層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
ｐ型の窒化物系半導体からなる第１の層と、
ｎ型の窒化物系半導体からなる第２の層と、
前記第１の層に接触して設けられたｐ側電極と、
前記第２の層に接触して設けられたｎ側電極と、
を備え、
前記ｎ側電極は、前記第２の層に接触して設けられ、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｔｉ）のいずかまたはこれらの元素を少なくとも１つ含む合金からなるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン（Ｗ）からなるバリア層と、前記バリア層の上に設けられた金（Ａｕ）からなるボンディング・パッド層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の層は、ｐ型のドーパントを含有し層厚が１００ｎｍ以下の複数の層からなり、
前記複数の層のそれぞれは、隣接する層と組成が異なる窒化物系半導体からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２の層は、ｎ型のドーパントを含有し層厚が１００ｎｍ以下の複数の層からなり、
前記複数の層のそれぞれは、隣接する層と組成が異なる窒化物系半導体からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１の層と前記第２の層の少なくともいずれかは、前記電極と接触する表面に凹凸が設けられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
半導体からなる発光層と、
金属酸化物からなり、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する透
光性導電膜と、
前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル（Ｎｉ）からなる層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、基板上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮなどの窒化物系半導体層などが積層された発光素子であって、接触抵抗が低く信頼性も良好な電極を有する半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムに代表される窒化物系半導体を用いることにより、紫外光から青色、緑色の波長帯の発光素子が実用化されつつある。
【０００３】
なお、本願において「窒化物系半導体」とは、Ｂx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ(1-x-y-z) Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）のIII −Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。
【０００４】
窒化物系半導体を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を形成することにより、これまで困難であった発光強度の高い紫外光、青色光、緑色光等の発光が可能となりつつある。また、窒化物系半導体は、結晶成長温度が高く、高温度下でも安定した材料であるので電子デバイスヘの応用も期待されている。
【０００５】
以下、窒化物系半導体を用いた半導体素子の一例として発光素子を例に挙げて説明する。
【０００６】
図８は、窒化物系半導体を用いた従来の発光ダイオードの構造を表す概略断面図である。サファイア基板１０１の上に、ＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層１０２とｐ型ＧａＮ層１０６が結晶成長され、ｐ型ＧａＮ層１０６の一部がエッチング除去されてｎ型ＧａＮ層１０２が露出されている。ｐ型ＧａＮ層６の上にはｐ側透明電極（Ａｕ）１２１、とｐ側ボンディング電極の下に電流阻止用の絶縁膜１１３、その上にｐ側透明電極１２１と接続されたｐ側ボンディング電極１２３（Ｔｉ／Ａｕ）が形成され、さらにｎ型ＧａＮ層上にｎ側電極１２２（Ａｌ／Ａｕ）を形成されている。
【０００７】
図８の発光ダイオードにおいては、ｐ側電極から流された電流は導電性の良い透明電極１２１で面内方向に拡げられ、ｐ型ＧａＮ層１０６からｎ型ＧａＮ層１０２に電流が注入されて発光し、その光は透明電極１２１を透過してチップ外に取り出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図８に例示したような従来の窒化物系半導体は、電極とオーミック接触を確保することが難しいという問題があった。すなわち、窒化物系半導体はバンドギャップが広いため電極とオーミック接触をさせることが難しい。さらに、窒化物系半導体は、ｐ型、ｎ型共に高キャリア濃度を有する層の形成が困難であり、この点からもオーミック接触の形成が困難であるという問題があった。
【０００９】
また、窒化物系半導体は、化学的なウェットエッチングが困難であるため、電極形成前の表面処理を行うことが難しく、電極と半導体層界面の表面状態によってオーミック特性が大きく左右されるという工程上の問題もあった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、良好なオーミック特性がえられ、信頼性も改善された半導体発光素子及びそ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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様による半導体発光素子は、ｐ型の窒化物系半導体からなる第１の層と、ｎ型の窒化物系半導体からなる第２の層と、前記第１の層に接触して設けられたｐ側電極と、前記第２の層に接触して設けられたｎ側電極と、を備え、前記ｐ側電極は、前記第１の層に接触して設けられ、銀（Ａｇ）を含有するコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン（Ｗ）からなる層と、を有することを特徴とし、ｐ側において優れたオーミック接触を確保することができる。
【００１２】
ここで、前記タングステン（Ｗ）からなる層の上に、金属酸化物からなる透光性導電膜を設けることにより、電流を面内に拡げて均一な発光を得ることができる。
【００１３】
さらに、前記透光性導電膜の上に設けられたオーバーコート層をさらに備え、
前記オーバーコート層は、前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル（Ｎｉ）からなる層を有することにより、透光性導電膜とオーバーコート層との付着強度を改善することができる。
【００１４】
または、本発明の第２の態様による半導体発光素子は、ｐ型の窒化物系半導体からなる第１の層と、ｎ型の窒化物系半導体からなる第２の層と、前記第１の層に接触して設けられたｐ側電極と、前記第２の層に接触して設けられたｎ側電極と、を備え、前記ｎ側電極は、前記第２の層に接触して設けられ、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びチタン（Ｔｉ）のいずかまたはこれらの元素を少なくとも１つ含む合金からなるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に設けられたタングステン（Ｗ）からなるバリア層と、前記バリア層の上に設けられた金（Ａｕ）からなるボンディング・パッド層と、を有することを特徴とし、ｎ側において良好なオーミック接触を確保するとともにバリア層が有効に作用して信頼性も確保することができる。
【００１５】
本発明の望ましい実施の態様として、前記第１の層は、ｐ型のドーパントを含有し層厚が１００ｎｍ以下の複数の層からなり、前記複数の層は、隣接する層が互いに異なる組成の窒化物系半導体からなることを特徴とし、さらにオーミック接触を改善することができる。
【００１６】
ここで、前記第２の層は、ｎ型のドーパントを含有し層厚が１００ｎｍ以下の複数の層からなり、前記複数の層は、隣接する層が互いに異なる組成の窒化物系半導体からなるものとすることが望ましい。
【００１７】
また、前記第１の層と前記第２の層の少なくともいずれかは、前記電極と接触する表面に凹凸が設けられたものとすれば、電極との接触面積を拡大して接触抵抗を低下させ、電極の付着強度を改善することができる。
【００１８】
または、本発明の第３の態様による半導体発光素子は、半導体からなる発光層と、金属酸化物からなり、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する透光性導電膜と、前記透光性導電膜に接触して設けられたニッケル（Ｎｉ）からなる層と、を備えたことを特徴とし、窒化物系半導体に限らず、ＩｎＧａＡｌＰ系やＩｎＰ系などの種々の材料系を用い、且つ透光性導電膜を有する半導体発光素子において、透光性導電膜と金属層との付着強度を改善することができる。
【００１９】
一方、本発明の第４の態様による半導体発光素子の製造方法は、ｎ型の窒化物系半導体からなるｎ型層とｐ型の窒化物系半導体からなるｐ型層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体の前記ｐ型層の表面にｐ側コンタクト電極層を形成する工程と、還元性ガスを含有する雰囲気中で熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、ｐ側において良好なオーミック接触を得ることができる。
【００２０】
または、本発明の第５の態様による半導体発光素子の製造方法は、ｎ型の窒化物系半導体からなるｎ型層とｐ型の窒化物系半導体からなるｐ型層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体の前記ｎ型層の表面にｎ側コンタクト電極層を形成する工程と、第１の温度において熱処理する工程と、前記積層体の前記ｐ型層の表面にｐ側コンタクト電極層を形成する工程と、還元性ガスを含有する雰囲気中で前記第１の温度よりも低い第２の温度において熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、
良好なオーミック接触を得ることができる。
【００２１】
ここで、本発明の望ましい実施の態様として、前記ｎ側コンタクト電極層は、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｔｉ）のいずかからなるものとすれば、良好なｎ側オーミックが得られる。
【００２２】
また、前記ｐ側コンタクト電極層は、銀（Ａｇ）を含有する金属またはニッケル（Ｎｉ）のいずれかからなるものとすれば、良好なｐ側オーミックが得られる。
【００２３】
また、前記ｐ側コンタクト電極層の上に金属酸化物からなる透光性導電膜を形成する工程と、酸素を含有した雰囲気において前記透光性導電膜を熱処理する工程と、をさらに備えたことを特徴とし、透光性導電膜のシート抵抗を低下させ付着強度も高くすることができる。
【００２４】
または、本発明の第６の態様による半導体発光素子の製造方法は、発光層を含む半導体積層体を形成する工程と、前記半導体積層体の上に金属酸化物からなる透光性導電膜を形成する工程と、酸素を含有した雰囲気において前記透光性導電膜を熱処理する工程と、を備えたことを特徴とし、窒化物系半導体に限らず、ＩｎＧａＡｌＰ系やＩｎＰ系などの種々の半導体を用い、且つ透光性導電膜を有する半導体発光素子において、透光性導電膜のシート抵抗を低下させ、付着強度を高くすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、従来よりもオーミック接触を改善し、同時に信頼性や電極の付着強度も改善された発光素子を提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す概略断面図である。本発明の半導体発光素子は、サファイア基板１の上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４、ｎ型ＧａＮ層５、ｐ型ＧａＮ層６、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層７、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９、が順次積層された構造を有する。
【００２７】
ｐ側電極は、透光性電極とボンディング・パッド部とからなる。すなわち、ｐ型ＧａＮコンタクト層９の上には、ＳｉＯ2 などからなるブロック層１３が選択的に形成され、残りの表面上には、例えば、第１の金属層１０／第２の金属層１１／タングステン（Ｗ）層１２を積層した透光性電極が形成されている。
【００２８】
ブロック層１３は、ボンディング・パッドの下において余分な発光が生じないように電流を遮断する役割を有する。また、透光性電極の各層の層厚はいずれも極めて薄く、発光素子から放出される光があまり吸収されずに透過するようにされている。
【００２９】
第１の金属層１０としては、銀（Ａｇ）を用いることが望ましい。また、第２の金属層１１としては、金（Ａｕ）を用いることが望ましい。または、第１の金属層１０として銀と金との混合物を用い、第２の金属層を省略しても良い。あるいは、後に詳述するように、本発明に独特の水素アニールを施す場合には、第１の金属層１０としてニッケル（Ｎｉ）を用い、第２の金属層を省略しても良い。
【００３０】
ブロック層１３の上には、透光性電極層に一部が接続された状態で、チタン（Ｔｉ）層１８、タングステン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０をこの順に堆積したボンディング・パッドが形成されている。ここで、チタン（Ｔｉ）層１８は接着層、タングステン（Ｗ）層１９はバリア層、金（Ａｕ）層２０はボンディング層として作用する。
【００３１】
一方、ｎ型コンタクト層４の上には、ｎ側電極が形成されている。すなわち、ハフニウム（Ｈｆ）層１４／アルミニウム（Ａｌ）層１５／ハフニウム（Ｈｆ）層１６／金（Ａｕ）層１７がこの順序に堆積され、さらにその上には、チタン（Ｔｉ）層１８、タングステン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０をこの順に堆積したボンディング・パッド部が形成されている。
【００３２】
ここで、中間の金（Ａｕ）層１７は、ハフニウム（Ｈｆ）層１６を保護するキャップ層として作用する。半導体中への金（Ａｕ）の過剰な侵入を防ぐために、金（Ａｕ）層１７の層厚は比較的薄く形成することが望ましく、または、省略することもできる。
【００３３】
また、チタン層１８は、接着層として作用する。タングステン層１９は、バリア層として作用する。さらに、金層２０は、ワイアなどをボンディングする層として作用する。
【００３４】
図示したｎ側電極層の構造は、一例に過ぎない。本発明においては、ｎ型コンタクト層４に接触する金属層が、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかであり、その上にタングステン（Ｗ）からなるバリア層が設けられ、さらに、その上に金（Ａｕ）からなるボンディング・パッド層が設けられていることが特徴とされる。
【００３５】
発光素子の表面は、ＳｉＯ2 からなる保護膜２２により覆われている。
【００３６】
本発明の発光素子は、以上説明した構成により、以下に説明する作用を奏する。
【００３７】
すなわち、本発明によれば、まず、ｐ型コンタクト層９と接触するコンタクト金属として、銀、または、銀と金との混合物のいずれかを用いることにより、ｐ型コンタクト層９とのオーミック接触を大幅に改善することができる。本発明者は、独自の検討を行った結果、これらの金属を半導体層にコンタクトさせた時に、特に接触抵抗を低減できることを知得するに至った。これは、銀を添加することによりｐ型コンタクト層９と反応しやすくなるからであると考えられる。
【００３８】
また、本発明によれば、素子のｎ側において、ｎ側コンタクト金属層の上にバリア層としてのタングステン層１９を設けることにより、バリア効果を維持しつつ、オーミック接触を改善することができる。すなわち、バリア層は、ｎ側コンタクト金属とボンディング・パッドとの相互拡散を防いで、信頼性を維持する作用を有する。従来は、ｎ側電極のバリア層としては、白金（Ｐｔ）が用いられることが多かった。しかし、白金は、窒化物系半導体の中に侵入するとｐ型のドーパントとして作用する。従って、ボンディング・パッド形成後の、熱処理や半田マウントあるいはワイア・ボンディングなどの昇温工程の際に白金がｎ型コンタクト層に拡散してオーミック接触を劣化させていた。
【００３９】
これに対して、本発明者は、ｎ側電極のバリア層としてタングステン層を用いることにより、オーミック接触を劣化させることなく、長期間の信頼性が確保されることを発見した。また、このようにバリア層としてタングステン層を用いる場合には、コンタクト金属として、上述したハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかを用いた場合に、特に良好な結果が得られることが分かった。
【００４０】
さらに、本発明によれば、これらの新規な構成を従来とは異なる新規なプロセスで形成することにより、さらにオーミック接触を改善することができる。次に、本発明の発光素子の製造方法について説明する。  
図２は、本発明の発光素子の製造方法の要部を表すフローチャートである。  
まず、ステップＳ１に示したように、サファイア基板１の上に、半導体層２〜９を順次結晶成長する。各層の結晶成長は、例えば、ＭＯＣＶＤ（metal-organic chemical vapor deposition ）、ハイドライドＣＶＤ、ＭＢＥ（molecular beam deposition ）などの方法により行うことができる。
【００４１】
次に、ステップＳ２に示したように、ｐ型層をエッチングする。すなわち、ｐ型半導体からなる層６〜９を、選択的にエッチングしてｎ型ＧａＮ層４を露出させる。具体的には、例えば、ＰＥＰ（photo-engraving process ）法によりパターニングし、ＲＩＥ（reactive ion etching）などのエッチング法によりエッチングを施すことにより行う。
【００４２】
次に、ステップＳ３に示したように、ｎ側電極のうちのコンタクト部を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによりＧａＮコンタクト層４の上に、ハフニウム層１４／アルミニウム層１５／ハフニウム層１６／金層１７などを堆積し、リフトオフ法によりパターニングする。
【００４３】
次に、ステップＳ４に示したように、ｎ側電極のコンタクト部のシンタを行う。具体的には、例えば、窒素ガス雰囲気中において８００℃以上で２０秒間程度の熱処理を施す。
【００４４】
次に、ステップＳ５またはＳ８に示したように、ｐ側電極のうちの透光性電極層を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによりｐ型コンタクト層９の上に、第１の金属層１０／第２の金属層１１／タングステン（Ｗ）層１２などを順次堆積する。ここで、第１の金属層１０は、前述したように、銀、銀と金との混合物、またはニッケルのいずれかである。銀の場合には、その厚みは、０．５〜１０ｎｍ程度とすることが望ましい。また、銀と金との混合物とする場合には、銀の比率は、１〜２０原子％程度とし、その混合物層の厚みは、０．５〜１０ｎｍ程度とすることが望ましい。また、ニッケルの場合には、その厚みは、０．５〜５ｎｍとすることが望ましい。
【００４５】
この後の工程は、ｐ側電極の材料に応じて若干異なる。  
すなわち、ステップＳ５に示したように、コンタクト金属としてニッケルを用いた場合には、ステップＳ６において、還元性ガスを含有した雰囲気中でアニールを施す。還元性ガスとしては、水素ガスを用いることができる。また、その雰囲気は、水素と窒素との混合ガスとすることができ、水素の体積含有率が０．１％〜５％程度の範囲であることが望ましい。また、アニール温度は、５００℃以下とすることが望ましい。
【００４６】
次に、ステップＳ７に示したように、ボンディング・パッド部を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによって、チタン（Ｔｉ）層１８、タングステン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０をこの順に堆積する。
【００４７】
一方、ステップＳ８に示したように、コンタクト金属として、銀または銀と金との混合物を用いた場合には、ステップＳ９において、一旦シンタする。具体的には、窒素雰囲気中において６００℃以上８００℃以下の温度で熱処理を施す。熱処理は、例えば、７５０℃で約２０秒間とすることができる。
【００４８】
次に、ステップＳ１０に示したように、還元性ガスとしての水素を含有した雰囲気中でアニールを施す。この雰囲気やアニール温度は、ステップＳ６について前述した通りである。
【００４９】
次に、ステップＳ１１に示したように、ボンディング・パッド部を形成する。具体的には、真空蒸着法やスパッタリング法などによって、チタン（Ｔｉ）層１８、タングステン（Ｗ）層１９、金（Ａｕ）層２０をこの順に堆積する。
【００５０】
以上の工程により、本発明の半導体発光素子が完成する。
【００５１】
本発明の製造方法においては、まず、ｐ側電極の形成に先だってｎ側電極を形成し、シンタすることにより、良好なオーミック接触を得ることができる。この理由は、本発明において用いるｎ側電極のコンタクト金属に対する最適なシンタ温度は、ｐ側電極に対する最適な熱処理温度よりも高いからである。すなわち、ステップＳ４におけるｎ側電極のシンタ温度は、８００℃以上であるのに対して、ステップＳ６、Ｓ９、Ｓ１０における熱処理温度は、いずれも８００℃以下である。従って、図２に示したようにｎ側電極の形成とシンタを先に行うことにより、ｐ側電極に過剰な熱処理を負荷することがなくなる。
【００５２】
また、本発明の製造方法によれば、ｐ側電極を堆積した後に、ステップＳ６、Ｓ１０において還元性の雰囲気中でアニールを施すことにより、ｐ側のオーミック接触や付着強度をさらに改善することができる。これは、窒化物系半導体に関して従来報告されている事実と反するものであり、本発明者が独自に知得した実験事実である。すなわち、従来は、水素雰囲気中でｐ型の窒化物系半導体を熱処理すると、水素の作用によって、半導体中に含有されるマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型ドーパントが不活性化するという事実が報告されていた。このような不活性化が生ずると、ｐ型半導体のアクセプタ濃度が低下するために、オーミック接触は劣化するはずであった。
【００５３】
これに対して、本発明者は、ｐ型の窒化物系半導体の上に、まず、ｐ側電極層を堆積し、しかる後に水素を含む雰囲気中で熱処理を施すと、オーミック接触と付着強度が大幅に改善されることを発見した。これは、定性的には、ｐ型半導体層の上を電極層で覆うことにより、ｐ型半導体層中のｐ型ドーパントの不活性化を抑制しつつ半導体層と電極層との間に介在する酸化物などを還元除去することができるからであると推測される。
【００５４】
図３は、本発明者が試作した発光素子のｐ側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。ここで、ｐ側電極は、幅１００μｍ、間隔２０μｍとした。図３において、「本発明Ａ」と表したものは、ｐ側のコンタクト金属として銀（Ａｇ）を用い、水素を含む窒素ガス雰囲気中で５００℃１０分間のアニールを施した素子である。また、「本発明Ｂ」と表したものは、ｐ側のコンタクト金属として銀を用い、水素を含む雰囲気中でのアニールは施さない素子である。また、「従来例」と表したものは、ｐ側のコンタクト金属として金（Ａｕ）を用い、水素を含む雰囲気中でのアニールは施さない素子である。
【００５５】
図３から、ｐ側のコンタクト金属として銀を用いることにより、従来よりも接触抵抗が低下し、水素を含有する雰囲気中でアニールを施すことにより接触抵抗はさらに低減することが分かる。同様の改善は、コンタクト金属として、銀と金との混合物やニッケルを用いた場合にも得られた。
【００５６】
一方、図４は、本発明者が試作した発光素子のｎ側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。ここで、ｎ側電極は、間隔３５０μｍとした。図４において、「本発明」と表したものは、ｎ側電極層としてハフニウム（Ｈｆ）を用い、バリア層としてタングステン（Ｗ）を用いた素子である。また、「従来例」と表したものは、ｐ側のコンタクト金属としてアルミニウム（Ａｌ）を用い、バリア層として白金（Ｐｔ）を用いた素子である。
【００５７】
図４から、本発明によれば、従来よりも接触抵抗が大幅に低減することが分かる。同様の効果は、コンタクト層にアルミニウム（Ａｌ）またはチタン（Ｔｉ）を用いた場合にも得られた。
【００５８】
ｐ側またはｎ側におけるコンタクト付近の層の構成は、例えば、図１において、要部拡大図に表したように、ＩｎＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互に積層した構造や、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互に積層した構造としても良い。
【００５９】
ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮは、ＧａＮに対してそれぞれ反対方向の歪みを生ずるので、このような積層構造とすると、歪みを補償することが可能となる。
【００６０】
また、１００ｎｍ以下の厚さの窒化物系半導体層では高キャリア濃度層の形成が容易であり、複数の層を形成するとそれらの界面付近（特にＩｎやＡｌを含む層とＧａＮ層との間）には、ｐ型不純物である高濃度のマグネシウム（Ｍｇ）あるいはｎ型不純物である高濃度のシリコン（Ｓｉ）が集中しやすい。ｐ側電極やｎ側電極を堆積後に、所定の熱処理を施すと、電極金属と複数の窒化物系半導体層とが反応し、さらにそれらの層の界面付近にある高濃度のマグネシウム（ｐ側）やシリコン（ｎ側）と電極金属も良好な反応を起こし、オーミック特性の良好な電極コンタクトを形成することができる。
【００６１】
この際に、次の第２実施形態に関して後述するように、複数の窒化物系半導体層を貫通するような凹凸があれば、さらに電極金属と半導体層との反応を効率的に進めることができる。
【００６２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００６３】
図５は、本発明の第２の実施の形態にかかる発光素子の断面構造を表す概念図である。同図については、図１と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態においては、ｐ側及びｎ側の電極コンタクト部分において、半導体の表面部分が部分的にエッチング除去され、凹凸状に加工されている。そして、この凹凸状の半導体の表面にｐ側及びｎ側の電極層が形成されている。このようにコンタクト部分の半導体の表面を凹凸状に加工すると、電極との接触面積が増大し、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、電極の剥離強度も増加する。さらに、ｐ側に形成された凹凸によって、発光部分から放出される光の外部への取り出し効率が改善される。すなわち、窒化物系半導体は、屈折率が２．６７程度と極めて高い。そのために、発光層から放出された光のうちで、ｐ型コンタクト層の表面に到達した光は、垂直に近い角度で入射もの以外は、全反射されてしまう。これに対して、本実施形態によれば、ｐ型コンタクト層の表面部分に凹凸を形成することにより、光を数回にわたって散乱し、最終的に外部に取り出す成分を増加することができる。
【００６４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。  
図６は、本発明の第３の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。同図についても、図１に関して前述したものと同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
本実施形態の発光素子は、基板１を介して外部に光を取り出す構成を有する。
【００６６】
また、本実施形態においては、ｐ側電極、Ｎ側電極ともにボンディング用の金（Ａｕ）層までを一度に形成しているため、オーバーコート電極層の接着層であるチタン（Ｔｉ）層１８が無い構成となっている。
【００６７】
また、ｐ側の電極を介して光を取り出す構成ではないため、ｐ側電極は必ずしも透光性を有する必要は無く、層厚を厚く形成することができる。
【００６８】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
【００６９】
図７は、本発明の第４の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。同図についても、図１に関して前述したものと同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透光性電極２３をｐ側電極の表面に積層した例である。ｐ側のオーバーコート電極すなわちボンディング電極は、ニッケル（Ｎｉ）層１８’と金（Ａｕ）層２０により形成されている。
【００７０】
本実施形態によれば、ＩＴＯを積層することにより、ボンディング電極に供給された電流をＩＴＯからなる透明電極２３の層内で面内方向に拡げ、ｐ側電極を介して注入することにより、面内において均一な強度分布を有する発光を得ることができる。
【００７１】
この効果は、ｐ側電極金属が層状でなく島状に形成されている場合に特に効果的であり、ボンディング電極からの電流を面内方向に効率的に流すことができる。
【００７２】
また、ニッケル層１８’は、ＩＴＯからなる透明電極２３に対して付着強度が良好であり、ＩＴＯ透明電極２３の上のオーバーコート層すなわちボンディング電極が剥がれるという問題を解消することができる。
【００７３】
本実施形態においては、透明電極２３が金（Ａｕ）に対するバリアとして作用するため、必ずしもタングステン（Ｗ）層は必要ではなく、同図に表したようにニッケル（Ｎｉ）層１８’と金（Ａｕ）層２０のみで良い。または、金（Ａｕ）２０のみでも良い。但し、透明電極２３の膜厚や膜質に応じてバリア層を設けると、金（Ａｕ）の拡散を防いで信頼性をさらに改善することができる。本発明者の検討によれば、この場合のバリア層としては、タングステン（Ｗ）または、白金（Ｐｔ）が特に適していることが分かった。すなわち、ニッケル層１８’と金層２０との間にタングステン（Ｗ）層または白金（Ｐｔ）層を設けると、金の拡散を効果的に阻止して発光素子の信頼性をさらに向上させることができる。また、これら以外にも、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）のいずれかをバリア層として用いても良好な結果が得られることが分かった。
【００７４】
本発明者は、本実施形態におけるＩＴＯ透明電極２３の形成プロセスについて試作検討を繰り返した結果、極めて良好な結果が得られるプロセスを見出した。すなわち、本実施形態の発光素子を形成するには、ｐ側コンタクト電極１０〜１２を形成し、水素アニールを施した後に、透明電極２３を形成することにより得られる。
【００７５】
前述した図２を参照しつつ説明すると、まず、水素アニール処理Ｓ６またはＳ１０の後に、スパッタ法などにより、ＩＴＯを堆積する。次に、酸素を含有した雰囲気中でアニールを施す。このアニールにより、ＩＴＯ層と金属電極層との付着強度が顕著に改善することが分かった。さらに、このアニールにより、ＩＴＯのシート抵抗を低下させることができる。付着強度の向上やシート抵抗の低下を確実に得るためには、窒素（Ｎ2 ）やアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスに重量百分比で５〜７０％の酸素を含有させた雰囲気中で、３００〜６００℃、さらに望ましくは３００〜５００℃の範囲の温度においてアニールすることが望ましい。同時に、このＩＴＯ層のアニール温度は、前の工程に対して影響を与えないようにするために、水素アニール処理Ｓ６またはＳ１０の処理温度よりも低くすることが望ましい。
【００７６】
このアニール工程の後に、図２に表したように、オーバーコート層すなわちボンディング電極を形成する工程Ｓ７または工程Ｓ１１を実行することにより、本実施形態の発光素子が完成する。
【００７７】
本実施形態におけるＩＴＯ透明電極２３に関する構成及びその製造方法は、必ずしも窒化物系半導体からなる発光素子に限定されず、その他の種々の応用例においても同様に適用することができる。例えば、ＧａＡｓ基板の上に形成するＩｎＧａＡｌＰ系やＡｌＧａＡｓ系などの材料を用いた発光素子あるいはＩｎＰ基板の上に形成するＩｎＰ系やＩｎＧａＡｓ系などの材料を用いた半導体素子についても同様に適用できる。すなわち、ＩＴＯ電極に接触させる金属層としてニッケルを用いることにより、両者の付着強度を改善して素子の信頼性を向上させることができる。
【００７８】
また、酸素を含有した雰囲気中でアニールを施すことにより、ＩＴＯのシート抵抗を低下させ、金属層や半導体層との付着強度を更に改善することもできる。
【００７９】
一例を挙げると、ＩｎＧａＡｌＰ系やＩｎＰ系の発光素子においては、ｐ側に透明電極を形成した後に、ｎ側のシンタリング工程を施す必要がある場合も多い。このような場合に、本発明の構成及び製造方法によれば、ＩＴＯのシート抵抗を上昇させることを防ぎ、むしろシート抵抗を低下させ且つ付着強度も改善することができるという効果を得ることができる。
【００８０】
一方、本実施形態の透光性電極２３としては、ＩＴＯ以外にも、例えば、インジウム、すず、チタンなどの各種の金属の酸化物を同様に用いることができる。  
【００８１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【００８２】
例えば、ｎ側電極の構造としては、図示した具体例には限定されず、これ以外にも、ｎ型コンタクト層の上に、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかまたは、これらの合金からなるコンタクト層を設け、その上にタングステンからなるバリア層を設け、その上に、金（Ａｕ）からなるボンディング・パッドを設けたあらゆる構造でも同様の効果を得ることができる。
【００８３】
また、発光素子の構造も、例えば、活性層をクラッド層で挟んだいわゆる「ダブルヘテロ型構造」としても良く、また、活性層やクラッド層などに超格子を用いても良い。さらに、発光ダイオードのみならず各種の半導体レーザなどについても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００８４】
また、基板として用いるものは、サファイアに限定されず、その他にも、例えば、スピネル、ＭｇＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ4 、ＬａＳｒＧａＯ4 、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 などの絶縁性基板や、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができる。特に、ＧａＮについては、例えば、サファイア基板の上にハイドライド気相成長法などにより厚く成長したＧａＮ層を基板から剥離してＧａＮ基板として用いることができる。
【００８５】
また、ＳｃＡｌＭｇＯ4 基板の場合には、（０００１）面、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 基板の場合には（１１１）面を用いることが望ましい。
【００８６】
さらに、本発明はｐ側電極とｎ側電極との少なくともいずれかを有する半導体素子について同様に適用して同様の効果を得ることができる。例えば、本発明は、必ずしも発光素子に限定されず、ＦＥＴ（feild effect transistor ：電界効果トランジスタ）などの各種の電子素子についても同様に適用することができる。
【００８７】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００８８】
まず、本発明の一実施形態によれば、ｐ型コンタクト層と接触するコンタクト金属として、銀、または、銀と金との混合物のいずれかを用いることにより、ｐ型コンタクト層とのオーミック接触を大幅に改善することができる。
【００８９】
また、本発明の一実施形態によれば、素子のｎ側において、ｎ側コンタクト金属層の上にタングステン層を設けることにより、バリア効果を維持しつつ、オーミック接触を改善することができる。すなわち、従来バリア層として用いられていた白金（Ｐｔ）のように、オーミック接触を劣化させることなく、バリア層として効果的に作用し、長期間の信頼性が確保される。
【００９０】
また、本発明の一実施形態によれば、このようにバリア層としてタングステン層を用いる場合には、コンタクト金属として、上述したハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかを用いた場合に、特に良好な結果が得られる。
【００９１】
また、本発明の一実施形態の製造方法によれば、ｐ側電極の形成に先だってｎ側電極を形成し、シンタすることにより、良好なオーミック接触を得ることができる。この理由は、本発明において用いるｎ側電極のコンタクト金属に対する最適なシンタ温度は、ｐ側電極に対する最適な熱処理温度よりも高いからである。すなわち、ｎ側電極の形成とシンタを先に行うことにより、ｐ側電極に過剰な熱処理を負荷することがなくなる。
【００９２】
また、本発明の一実施形態の製造方法によれば、ｐ側電極を堆積した後に、還元性の雰囲気中でアニールを施すことにより、ｐ側のオーミック接触や付着強度をさらに改善することができる。これは、窒化物系半導体に関して従来報告されている事実と反するものであり、本発明者が独自に知得した実験事実である。このように、還元性の雰囲気でアニールを施す場合には、ｐ側のコンタクト金属として、ニッケル（Ｎｉ）を用いた場合にも従来よりも大幅に良好なオーミック接触が得られる。
【００９３】
また、本発明の一実施形態によれば、ｐ側またはｎ側において、ＩｎＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互に積層した構造や、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを交互に積層した構造とすると、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮは、ＧａＮに対してそれぞれ反対方向の歪みを生ずるので、このような積層構造とすると、歪みを補償することが可能となる。また、０．１μｍ以下の厚さの窒化物系半導体層では高キャリア濃度層の形成が容易であり、複数の層を形成するとそれらの界面付近（特にＩｎやＡｌを含む層とＧａＮ層との間）には、ｐ型不純物である高濃度のマグネシウム（Ｍｇ）あるいはｎ型不純物である高濃度のシリコン（Ｓｉ）が集中しやすい。ｐ側電極やｎ側電極を堆積後に、所定の熱処理を施すと、電極金属と複数の窒化物系半導体層とが反応し、さらにそれらの層の界面付近にある高濃度のマグネシウム（ｐ側）やシリコン（ｎ側）と電極金属も良好な反応を起こし、オーミック特性の良好な電極コンタクトを形成することができる。
【００９４】
この際に、次の第２実施形態に関して後述するように、複数の窒化物系半導体層を貫通するような凹凸があれば、さらに電極金属と半導体層との反応を効率的に進めることができる。
【００９５】
また、本発明の一実施形態によれば、コンタクト部分の半導体の表面を凹凸状に加工すると、電極との接触面積が増大し、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、電極の剥離強度も増加する。さらに、ｐ側に形成された凹凸によって、発光部分から放出される光の外部への取り出し効率が改善される。
【００９６】
さらに、本発明の一実施形態によれば、ＩＴＯ電極に接触させる金属層としてニッケルを用いることにより、両者の付着強度を改善して素子の信頼性を向上させることができる。
【００９７】
また、このようなニッケル層と金層との間に、タングステンまたは白金からなるバリア層を設けることにより、金の拡散を確実に阻止することができる。
【００９８】
また、本発明の一実施形態によれば、ＩＴＯを堆積した後に、酸素を含有した雰囲気中でアニールを施すことにより、ＩＴＯのシート抵抗を低下させ、金属層や半導体層との付着強度を更に改善することもできる。
【００９９】
以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、従来よりもオーミック接触を改善し、同時に信頼性や電極の付着強度も改善された発光素子を提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図２】本発明の発光素子の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図３】本発明者が試作した発光素子のｐ側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。
【図４】本発明者が試作した発光素子のｎ側電極側の電流電圧特性を表すグラフ図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかる発光素子の断面構造を表す概念図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態にかかる発光素子の断面構成を表す概念図である。
【図８】窒化物系半導体を用いた従来の発光ダイオードの構造を表す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１  サファイア基板
２  ｎ型ＧａＮ層
３  ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層
４  ｎ型ＧａＮコンタクト層
５  ｎ型ＧａＮ層
６  ｐ型ＧａＮ層
７  ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層
８  ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層
９  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０  第１の金属層
１１  第２の金属層
１２  タングステン（Ｗ）層
１３  ブロック層
１４  ハフニウム（Ｈｆ）層
１５  アルミニウム（Ａｌ）層
１６  ハフニウム（Ｈｆ）層
１７  金（Ａｕ）層
１８  チタン（Ｔｉ）層
１９  タングステン（Ｗ）層
２０  金（Ａｕ）層
２２  保護膜
１０１  サファイア基板
１０２  ｎ型ＧａＮ層
１０６  ｐ型ＧａＮ層
１１３  絶縁層
１２１  透明電極
１２２  ｎ側電極
１２３  ボンディング・パッド
【図１】
2005340860.tif 000003
【図２】
2005340860.tif 000004
【図３】
2005340860.tif 000005
【図４】
2005340860.tif 000006
【図５】
2005340860.tif 000007
【図６】
2005340860.tif 000008
【図７】
2005340860.tif 000009
【図８】
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