(57)【要約】【課題】  本発明は光デバイス及びその製造方法に関するもので、本発明の目的は、電気的/熱的/構造的に安定して、ｐ型電極とｎ型電極を同時に形成することができる光デバイス及びその製造方法を提供することにある。【解決手段】  前記の目的を達成するために本発明に係る光デバイスは、ＧａＮ系層と、前記ＧａＮ系層の上に形成された高濃度ＧａＮ系層と、前記高濃度ＧａＮ系層の上に形成された第１金属−Ｇａ化合物層と、前記第１金属−Ｇａ化合物層の上に形成された第１金属層と、前記第１金属層の上に形成された第３金属−Ａｌ化合物層及び前記第３金属−Ａｌ化合物層の上に形成された伝導性酸化防止層と、を含むことを特徴とする。
2006506827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上に形成した高濃度ＧａＮ系層と、
前記高濃度ＧａＮ系層の上に形成した第１金属−Ｇａ化合物層と、
前記第１金属−Ｇａ化合物層の上に形成した第１金属層と、
前記第１金属層の上に形成した第３金属−Ａｌ化合物層と、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上に形成した伝導性酸化防止層と、を含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上に形成した高濃度ＧａＮ系層と、
前記高濃度ＧａＮ系層の上に形成した透明電極層と、
前記透明電極層の上に形成した第１金属−Ｇａ化合物層と、
前記第１金属−Ｇａ化合物層の上に形成した第１金属層と、
前記第１金属層の上に形成した第３金属−Ａｌ化合物層と、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上に形成した伝導性酸化防止層と、を含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上に形成した高濃度ＧａＮ系層と、
前記高濃度ＧａＮ系層の上に形成した第１金属−Ｇａ-Ｎ化合物層と、
前記第１金属−Ｇａ-Ｎ化合物層の上に形成した第１金属層と、
前記第１金属層の上に形成した第３金属−Ａｌ化合物層と、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上に形成した伝導性酸化防止層と、を含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
前記ＧａＮ系層はｐ型またはｎ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の光デバイス。
【請求項５】
前記第１金属層をなす物質はＣｒ、Ｖ、Ｗの中から選択することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の光デバイス。
【請求項６】
前記第１金属層をなす物質はＧａとＮとの反応性の高い金属または化合物で構成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の光デバイス。
【請求項７】
前記第３金属をなす物質はＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄの中から選択することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記第３金属をなす物質はＡｌとの反応性の高い金属または化合物で構成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の光デバイス。
【請求項９】
前記第３金属をなす物質は前記伝導性酸化防止層をなす物質と反応性のない金属または化合物で構成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記伝導性酸化防止層はＡｕまたはＡｕを含む２重以上の多重金属または化合物で形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の光デバイス。
【請求項１１】
光デバイスの透明電極は、
第１金属からなる金属酸化物層と、
第３金属と前記金属酸化物層をなす第１金属が反応し形成した混合酸化物層と、
第２金属からなり、前記金属酸化物層及び混合酸化物層に金属点(Metal Dot)形態に形成した伝導性配列物質と、を含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項１２】
前記第１金属はＰｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｎｉの中から選択することを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記第１金属は水素と親和力の高い物質であることを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記第１金属は電極が形成されるｐ型ＧａＮ系層と反応性の低い物質であることを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記金属点形態に形成する伝導性配列物質は伝導性ブリッジ(conductive bridge)として機能することを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記第２金属はＡｕ、Ｐｔの中から選択することを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記第３金属はＡｎＯ、ＩｒＯ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｖの中から選択することを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１８】
前記透明電極は、順次にｐ型ＧａＮ系層と、前記ｐ型ＧａＮ系層上部に形成した高濃度不純物金属酸化物層及び前記高濃度不純物金属酸化物で形成する多層構造層の上部に形成することを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１９】
前記高濃度不純物金属酸化物層はｐ+−ＩｒＯで形成したり、またはｐ+−ＺｎＯで形成したり、またはｎ+−ＺｎＯで形成することを特徴とする請求項１８に記載の光デバイス。
【請求項２０】
半導体層と、前記半導体層が形成した高濃度不純物金属酸化物層と、前記高濃度不純物金属酸化物層に形成した透明電極と、を含む光デバイス。
【請求項２１】
前記高濃度不純物金属酸化物層はｐ+−ＩｒＯで形成したり、またはｐ+−ＺｎＯで形成したり、またはｎ+−ＺｎＯで形成することを特徴とする請求項２０に記載の光デバイス。
【請求項２２】
前記透明電極はＮｉ/Ａｕの積層構造で形成したり、またはＣｏ−Ｏ/Ａｕの積層構造で形成したり、またはＮｉ−Ｏ/Ａｕの積層構造で形成することを特徴とする請求項２０に記載の光デバイス。
【請求項２３】
光デバイスの電極構造は、
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上面に形成し水素との反応性の高い接触層と、
前記接触層の上面に形成し酸素との反応性が低いボンディングパッド層と、
前記接触層と前記ボンディングパッド層との接面に形成する拡散障壁層と、
自然反応及び/または熱処理工程により前記接触層と前記ＧａＮ系層との接面に形成する高濃度ＧａＮ系層と金属水素化合物層(Metal-H)と、を含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項２４】
前記ボンディングパッド層はＡｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕの単一層、または２層以上の多層構造であることを特徴とする請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項２５】
前記ボンディングパッド層はＡｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕの中の一つの元素を‘Ｍ’という時、Ｍ−Ｏ(‘Ｍ’酸素化合物)、Ｍ−Ｓｉ(‘Ｍ’ケイ素化合物)、Ｍ−Ｎ(‘Ｍ’窒素化合物)、Ｍ−Ｃ(‘Ｍ’炭素化合物)の単一層、または２層以上の多層構造であることを特徴とする請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項２６】
前記接触層はＰｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｃｏの単一層、または２層以上の多層構造であることを特徴とする請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項２７】
第１ＧａＮ系層及び第２ＧａＮ系層の上に第１金属層を形成する段階と、
前記第１金属層の上にＡｌ系または(Ｎｉ−Ａｌ)系物質からなる第２金属層を形成する段階と、
前記第２金属層の上に第３金属層を形成する段階と、
前記第３金属層の上に伝導性酸化防止層を形成する段階と、
前記結果物に対する熱処理を行い、
前記第１ＧａＮ系層及び第２ＧａＮ系層の上部領域はそれぞれ高濃度第１ＧａＮ系層及び高濃度第２ＧａＮ系層に形成し、
前記高濃度第１ＧａＮ系層の上には第１金属−Ｇａ化合物層を形成し、前記高濃度第２ＧａＮ系層の上には第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層を形成し、
前記第１金属−Ｇａ化合物層及び第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層の上には第１金属層を形成し、
前記第１金属層の上には第３金属−Ａｌ化合物層を形成し、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上には伝導性酸化防止層を形成する段階と、を含むことを特徴とする光デバイス製造方法。
【請求項２８】
前記第１金属層はＣｒ、Ｖ、Ｗの中から選択した物質で形成することを特徴とする請求項２７に記載の光デバイス製造方法。
【請求項２９】
前記第１金属層をなす物質はＧａとＮとの反応性の高い金属または化合物で構成することを特徴とする請求項２７に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３０】
前記第３金属層はＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄの中から選択した物質で形成することを特徴とする請求項２７に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３１】
前記第３金属層をなす物質はＡｌと反応性の高い金属または化合物で構成することを特徴とする請求項２７に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３２】
前記第３金属層をなす物質は前記伝導性酸化防止層をなす物質と反応性のない金属または化合物で構成することを特徴とする請求項２７に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３３】
前記伝導性酸化防止層はＡｕまたはＡｕを含む２重以上の多重金属または化合物で形成することを特徴とする請求項２７に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３４】
前記第１ＧａＮ系層の上に第１金属層を形成することにおいて、前記第１ＧａＮ系層に第１透明電極層をさらに形成し、
前記第１透明電極層上に前記第１金属層を形成することを特徴とする請求項２７に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３５】
ＧａＮ系層上に第１金属層を形成する段階と、
前記第１金属層上に第２金属層を形成する段階と、
前記第２金属層上に第３金属層を形成する段階と、
酸素が含まれた雰囲気で前記結果物に対する熱処理を行い、
前記ＧａＮ系層の上部領域は高濃度ＧａＮ系層に形成され、
前記第１金属層は金属酸化物層に形成し、
前記第３金属層は前記第１金属層をなす第１金属と反応し混合酸化物層に形成し、
前記第２金属層は前記金属酸化物層及び混合酸化物層内部に金属点形態の伝導性配列物質で形成する段階と、を含むことを特徴とする光デバイス製造方法。
【請求項３６】
前記ＧａＮ系層はｐ型ＧａＮ層であることを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３７】
前記第１金属層はＰｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｎｉの中から選択し形成することを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３８】
前記第１金属層をなす物質は水素と親和力の高い物質で形成することを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項３９】
前記第１金属層をなす物質は前記ＧａＮ系層と反応性の低い物質で形成することを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４０】
前記結果物に対する熱処理が行われる過程において、前記第１金属層は前記ＧａＮ系層から水素を吸収して反応し、前記ＧａＮ系層の上部は高濃度ＧａＮ系層に形成することを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４１】
前記金属点形態に形成される伝導性配列物質は伝導性ブリッジとして機能することを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４２】
前記第２金属層はＡｕ、Ｐｔの中から選択し形成することを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４３】
前記第３金属層はＺｎＯ、ＩｒＯ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｖの中で選択し形成することを特徴とする請求項３５に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４４】
ＧａＮ系化合物半導体の自然酸化層を除去する段階と、
水素との反応性の優れた金属で接触層を蒸着する段階と、
酸素との反応性が低く、前記接触層との安定した化合物を形成できる金属でボンディングパッド層を形成する段階と、
熱処理を行う段階と、を含むことを特徴とする光デバイス製造方法。
【請求項４５】
前記自然酸化層を除去する段階はＢＯＥにより行われることを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４６】
前記自然酸化層を除去する段階はＦ、Ｃｌ、Ｓ、ＯＨが含まれるエッチング溶液により行われることを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４７】
前記ボンディングパッド層はＡｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕの単一層、または２層以上の多層構造であることを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４８】
前記ボンディングパッド層はＡｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕの中の一つの元素を‘Ｍ’という時、Ｍ−Ｏ(‘Ｍ’酸素化合物)、Ｍ−Ｓｉ(‘Ｍ’ケイ素化合物)、Ｍ−Ｎ(‘Ｍ’窒素化合物)、Ｍ−Ｃ(‘Ｍ’炭素化合物)の単一層、または２層以上の多層構造であることを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【請求項４９】
前記接触層はＰｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｃｏの単一層、または２層以上の多層構造であることを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【請求項５０】
前記接触層を蒸着する段階により高濃度ＧａＮ系層及び金属水素化合物層を形成することを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【請求項５１】
前記熱処理を行う段階により前記接触層と前記ボンディングパッド層の接面に両金属の化合物による拡散障壁層を形成することを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【請求項５２】
前記熱処理を行う段階により前記接触層を蒸着する段階により生成された高濃度ＧａＮ系層及び金属水素化合物層がより深くなることを特徴とする請求項４４に記載の光デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光デバイスに関し、特に電気的/熱的/構造的に安定で、ｐ型電極とｎ型電極を同時に形成することができる光デバイス及びその製造方法に関する。
尚、本発明は比接触抵抗(specific contact resistance)を低減し、これにより外部から供給されるキャリアの素子内部への均一な電流拡散(current spreading)が可能なだけでなく、素子内部で発生する光子(photon)が外部へうまく抜け出せるようにする光デバイス及びその製造方法に関する。
尚、本発明は金属水素化合物を形成してｐ型窒化ガリウム系化合物半導体のオーミック電極を具現する光デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に発光素子やレーザのような光デバイスを具現するためには何よりも半導体と電極から形成される金属の間に良質のオーミック接触が成されなければならない。
さらに、平らの表面状態、熱的安定性、易い加工性、低接触抵抗、高収率、良好な腐食抵抗性などが要求される。
【０００３】
一方、ＧａＮ系窒化物半導体発光素子は主にサファイア基板またはＳｉＣ基板の上で成長される。そして、低温の成長温度でサファイア基板またはＳｉＣ基板の上にＧａＮ系の多結晶層をバッファー層(buffer layer)に成長させ、以後高温で前記バッファー層の上にアンドープＧａＮ層、シリコン(Ｓｉ)がドープされたｎ型ＧａＮ層または前記構造の混合構造に成長させｎ型ＧａＮ系層を形成する。次いで、前記ｎ型ＧａＮ系層上に発光層(量子井戸構造活性層)を形成し、その上にｐ型ＧａＮ系層をさらに形成することにより半導体発光素子を製造する。
そして、このような半導体発光素子には次のような方法で透明電極が形成されることができる。
【０００４】
まず、図１を参照して従来の発光素子に形成されるｐ型電極構造を簡略に説明する。
【０００５】
図１は従来の発光素子のｐ型電極の一例を示す図面である。
図１に示した発光素子のｐ型電極は、ｐ型ＧａＮ層１０１の上にｐ型透明電極層１０２が形成されており、前記ｐ型透明電極１０２の上にｐ型ボンディング電極１０３が形成された構造になっている。このような構造を持つ電極構造を便宜上‘close’電極構造と称する。
【０００６】
このような‘close’電極構造の場合、前記ｐ型透明電極層１０２は主にＮｉ/Ａｕ層で形成されている。そして、前記ｐ型ボンディング電極１０３はＡｌとＣｒを除いてＡｕを基本とする２種類以上の金属、例えばＡｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｔを含む単一層または２重層以上の多層構造として構成される。即ち、Ａｕ、Ｎｉ/Ａｕ、Ｔｉ/Ａｕ、Ｐｔ/Ａｕなどの層で形成される。
【０００７】
例えば、図２に示したように、ｐ型ＧａＮ系層１０１の上にＮｉ，Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕの中で一つの金属を選択して第１金属層１０２ａを蒸着し、その上に金(Ａｕ)を利用して第２金属層１０２ｂを蒸着し透明電極１０２を形成することができる。代表的な透明電極の例としてはＮｉ/Ａｕ電極が用いられている。
または、図３に示したように、酸化物がよく形成される第１金属層１０２ｃをｐ型ＧａＮ系層１０１の上に形成し、以後キャリア伝導のための第２金属層１０２ｄ、例えば金(Ａｕ)を蒸着した後、酸素が含まれた雰囲気で熱処理を行う。
【０００８】
代表的な例としては、ｐ型ＧａＮ系層１０１の上にコバルト(Ｃｏ)と金(Ａｕ)を順次に蒸着した後、酸素を含む雰囲気で熱処理を行い‘Ｃｏ−Ｏ’酸化物を形成する方法がある。または、前記コバルト(Ｃｏ)の代わりにニッケル(Ｎｉ)を利用する方案も提示されている。
【０００９】
次いで、金属酸化物層１０２ｅを透明にして前記ｐ型ＧａＮ系層１０１上に透明電極１０２を形成する。
図４に示したような構造で従来の発光素子のｐ型電極が形成されることもできるが、図４は従来の発光素子のｐ型電極の他の例を示す図面である。
図４に示した発光素子のｐ型電極は、ｐ型ＧａＮ層２０１の上にｐ型透明電極層２０２が形成されており、前記ｐ型透明電極層２０２の上にｐ型ボンディング電極２０３が形成された構造である。このとき、前記透明電極層２０２には前記ｐ型ボンディング電極２０３が一部詰められている構造になっている。
このような構造を有する電極構造を便宜上‘open’電極構造と称する。
このような‘open’電極構造の場合、ボンデリング能力を向上させるためＣｒまたはＡｌ層を含める構造が提示されており、前記‘close’電極構造と類似している構造で形成される。
【００１０】
一方、図５は従来の発光素子のｎ型電極の一例を示す図面である。
図５に示した発光素子はｎ型ＧａＮ層３０１の上にｎ型電極層３０２が形成された構造になっている。
【００１１】
前記ｎ型電極層３０２の場合にはＴｉ、Ａｌ、Ａｕを用いた単一層または２重層以上の多重層で構成された電極が提案されているが、例えば、Ｔｉ/Ａｌ、Ｔｉ/Ａｌ/Ｐｔ/Ａｕ、Ｔｉ/Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕなどの構造が提案されている。
【００１２】
ところで、このような構造を有するｐ型電極の場合には低いドーピング濃度のｐ型ＧａＮ層のため比接触抵抗が１０-3Ωｃｍ2以上で非常に高かった。
尚、酸化物構造でない透明電極構造(図２参照)では、比接触抵抗が１０-2Ωｃｍ2程度で非常に高くて透明電極の一番大きい機能の一つである、電極を拡散する‘current spreader’としての役を十分に行えない構造と知られている。
これは界面での高い比接触抵抗により素子動作時に界面で熱源として作用し、素子信頼性低下に直接的な大きい影響を与えるようになると知られている。
【００１３】
尚、図３を参照して説明した製造方法により形成される透明電極構造においては、比接触抵抗は相当な部分が改善されていると報告されているが、光透過度の側面では性能が劣ると知られている。これは酸素雰囲気で熱処理を行うときに形成される金属酸化物が透過性向上に寄与できる構造である‘hetero epitaxial’構造となれず、‘polycrystalline’構造となり、透明電極内に存在する多数の小さいグレイン(grain)により半導体内部から外へ出る光子の吸収または散乱損失が発生するからであると知られている。
【００１４】
尚、単にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体でオーミック電極を具現するために、二つ以上の金属が積層され熱処理が行われることだけを提示している。
【００１５】
従って、このような構造で高品質のオーミック電極を形成するためにはキャリアの濃度が電子のトンネリングが可能なドーピング領域では１０18ｃｍ-3以上にならなければならないが、実際ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体のキャリア濃度は１０17ｃｍ-3以下で非常に低い。
このように低いキャリアの濃度がショットキー障壁を高め金属と半導体界面の比接触抵抗を高め高品質のオーミック特性を得られなくなる。
【００１６】
尚、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の表面に存在する自然酸化層は熱処理時に金属と半導体の界面で相互反応を起こすことにより、リーク電流の増加、逆電圧降伏減少、非正常的なしきい値電圧特性など多くの問題が発生し、結局素子の信頼性及び寿命が減少することになる。
【００１７】
尚、このような問題は‘open’電極構造及び‘close’電極構造のｐ型電極を備える発光素子の全てから発生している。従って、熱的に安定して低い比接触抵抗を有するｐ型電極の開発が切実に要求されている実情である。
【００１８】
尚、ｎ型電極では比接触抵抗は１０-5Ωｃｍ2以上で発光素子に適合しているが、Ｔｉ系の電極は熱特性の側面で非常に弱いことが報告されている。
【００１９】
そして、従来はｐ型電極とｎ型電極を別々に製作するので素子生産性と収率の側面で少なくない短所が発生している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は電気的/熱的/構造的に安定して、ｐ型電極とｎ型電極を同時に形成できる光デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【００２１】
尚、本発明の目的は透明電極の比接触抵抗を低減し、これにより外部から供給されるキャリアの素子内部への均一な電流の拡散(current spreading)が可能となり、また素子内部から発生する光子(photon)が外部へうまく出ることができる光デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【００２２】
尚、本発明の目的はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体のオーミック電極内にMetal-H化合物層を形成し自然酸化層を除去して低い抵抗、高い透過率、高い熱的安定性を具現できる光デバイス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】
【００２３】
前記のような目的を達成するため本発明の一側面に係る光デバイスは、
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上に形成された高濃度ＧａＮ系層と、
前記高濃度ＧａＮ系層の上に形成された第１金属−Ｇａ化合物層と、
前記第１金属−Ｇａ化合物層の上に形成された第１金属層と、
前記第１金属層の上に形成された第３金属−Ａｌ化合物層と、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上に形成された伝導性酸化防止層と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明の他の実施例は、
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上に形成された高濃度ＧａＮ系層と、
前記高濃度ＧａＮ系層の上に形成された透明電極層と、
前記透明電極層の上に形成された第１金属−Ｇａ化合物層と、
前記第１金属−Ｇａ化合物層の上に形成された第１金属層と、
前記第１金属層の上に形成された第３金属−Ａｌ化合物層と、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上に形成された伝導性酸化防止層と、を含むことを特徴とする。
【００２５】
本発明の他の実施例は、
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上に形成された高濃度ＧａＮ系層と、
前記高濃度ＧａＮ系層の上に形成された第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層と、
前記第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層の上に形成された第１金属層と、
前記第１金属層の上に形成された第３金属−Ａｌ化合物層と、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上に形成された伝導性酸化防止層と、を含み、
また、前記ＧａＮ系層はｐ型またはｎ型であることを特徴とする。
【００２６】
尚、本発明のまた他の実施例は、
光デバイスの透明電極が、
第１金属からなる金属酸化物層と、
第３金属と前記金属酸化物層をなす第１金属が反応され形成された混合酸化物層と、
第２金属からなり、前記金属酸化物層及び混合酸化物層に金属点(Metal Dot)形態に形成された伝導性配列物質と、を含むことを特徴とする。
【００２７】
本発明のまた他の実施例は、半導体層と、前記半導体層が形成された高濃度不純物金属酸化物層と、前記高濃度不純物金属酸化物層に形成された透明電極と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
本発明のまた他の実施例は、
光デバイスの電極構造は、
ＧａＮ系層と、
前記ＧａＮ系層の上面に形成され水素との反応性の高い接触層と、
前記接触層の上面に形成され酸素との反応性の低いボンディングパッド層と、
前記接触層と前記ボンディングパッド層の接面に形成される拡散障壁層と、
自然反応及び/または熱処理工程により前記接触層と前記ＧａＮ系層との接面に形成される高濃度ＧａＮ系層と金属水素化合物層(Metal-H)と、を含むことを特徴とする。
【００２９】
本発明の他の側面に係る光デバイス製造方法は、
第１ＧａＮ系層及び第２ＧａＮ系層の上に第１金属層を形成する段階と、
前記第１金属層の上にＡｌ系または(Ｎｉ−Ａｌ)系物質からなる第２金属層を形成する段階と、
前記第２金属層の上に第３金属層を形成する段階と、
前記第３金属層の上に伝導性酸化防止層を形成する段階と、
前記結果物に対する熱処理を行い、
前記第１ＧａＮ系層及び第２ＧａＮ系層の上部領域はそれぞれ高濃度第１ＧａＮ系層及び高濃度第２ＧａＮ系層で形成され、
前記高濃度第１ＧａＮ系層の上には第１金属−Ｇａ化合物層が形成され、前記高濃度第２ＧａＮ系層の上には第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層が形成され、
前記第１金属−Ｇａ化合物層及び第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層の上には第１金属層が形成され、
前記第１金属層の上には第３金属−Ａｌ化合物層が形成され、
前記第３金属−Ａｌ化合物層の上には伝導性酸化防止層が形成される段階と、を含むことを特徴とする。
【００３０】
本発明の他の実施例は、
ＧａＮ系層上に第１金属層を形成する段階と、
前記第１金属層上に第２金属層を形成する段階と、
前記第２金属層上に第３金属層を形成する段階と、
酸素が含まれた雰囲気で前記結果物に対する熱処理を行い、
前記ＧａＮ系層の上部領域は高濃度ＧａＮ系層で形成され、
前記第１金属層は金属酸化物層で形成され、
前記第３金属層は前記第１金属層を成す第１金属と反応され混合酸化物層で形成され、
前記第２金属層は前記金属酸化物層及び混合酸化物層内部に金属点(Metal Dot)形態の伝導性配列物質で形成される段階と、を含むことを特徴とする。
【００３１】
本発明の他の実施例は、
ＧａＮ系化合物半導体の自然酸化層を除去する段階と、
水素との反応性の優れた金属で接触層を蒸着する段階と、
酸素との反応性が低く、前記接触層との安定した化合物を形成できる金属でボンディングパッド層を形成する段階と、
熱処理を行う段階と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る光デバイス及びその製造方法によれば、電気的/熱的/構造的に安定して、ｐ型電極とｎ型電極を同時に形成することができる長所がある。
尚、ｐ型電極とｎ型電極を同時に形成することにより製造工程を単純化し、費用を節減する長所がある。
尚、透明電極内の比接触抵抗を低くし、これにより外部から供給されるキャリアの素子内部への均一な電流拡散(current spreading)が可能である。
尚、素子内部で発生して出る光子が外部へ上手く抜けるようにすることができる。
尚、オーミック電極内に金属水素化合物層を形成し、ｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体素子の優れたオーミック電極を具現することができる。
本発明の実施例では発光素子の電極構造及びその製造方法に対して説明したが、これは単に発光素子だけでなく(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ半導体を用いる他の素子、光電子素子などに直接的な応用が可能である。
【００３３】
尚、本発明の思想を理解する者はこれによる実施例を追加、変更などにより容易に作り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付図面を参照して本発明に係る実施例を詳細に説明する。
まず、本発明が提示しようとする発光素子の電極構造に対して簡略に説明し、本発明に係る発光素子製造方法に対して具体的に説明する。
【００３５】
図６は本発明に係る発光素子のｐ型電極の第１実施例を示す図面である。
本発明に係る発光素子は、図６に示したように、ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層４０１の上に高正孔濃度層であるｐ+−(Ｉｎ，Ａｌ)Ｇａｎ層４０２が形成されている。そして、前記ｐ+−(Ｉｎ，Ａｌ)Ｇａｎ層４０２の上には第１金属−Ｇａ化合物層４０３が形成されており、前記第１金属−Ｇａ化合物層４０３の上には第１金属層４０４が形成されている。尚、前記第１金属層４０４の上には第３金属−Ａｌ化合物層４０５が形成されており、前記第３金属−Ａｌ化合物層４０５の上には伝導性酸化防止層４０６が形成されている。これは従来技術で言及した‘open’電極構造に対応するｐ型電極構造を示している。
【００３６】
図７は本発明に係る発光素子のｐ型電極の第２実施例を示す図面である。
本発明に係る発光素子の第２実施例は、図７に示したように、ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層４０１の上に高正孔濃度層であるｐ+−(Ｉｎ，Ａｌ)Ｇａｎ層４０２が形成されており、前記ｐ+−(Ｉｎ，Ａｌ)Ｇａｎ層４０２の上にはｐ型透明電極層４１０がさらに形成されている。
そして、前記ｐ型透明電極層４１０の上には第１金属−Ｇａ化合物層４０３が形成されており、前記第１金属−Ｇａ化合物層４０３の上には第１金属層４０４が形成されている。
尚、前記第１金属層４０４の上には第３金属−Ａｌ化合物層４０５が形成されており、前記第３金属−Ａｌ化合物層４０５の上には伝導性酸化防止層４０６が形成されている。これは従来技術で言及した‘closed’電極構造に対応するｐ型電極構造を示す。
【００３７】
図８は本発明に係る発光素子の第３実施例に透明電極が形成された構造を示す図面である。
図８に示したように、本発明に係る発光素子の透明電極５１０は金属酸化物層５０３と、混合酸化物層５０４及び伝導性配列物質５０５から構成される。そして、前記透明電極５１０は高濃度ｐ型ＧａＮ系層５０２上に形成されており、前記高濃度ｐ型ＧａＮ系層５０２はｐ型ＧａＮ系層５０１上に形成されている。
ここで、前記伝導性配列物質５０５は前記金属酸化物層５０３と混合酸化物層５０４とから構成される透明電極５１０全般に金属点(Metal Dot)形態に形成され、‘conductive bridge'としての機能を行う。このとき、前記伝導性配列物質５０５は前記透明電極５１０内で周期的な配列を有して金属点に形成される。
【００３８】
一方、本発明に係る発光素子の透明電極の他の例で、図９乃至図１１のように発光素子の透明電極を形成することもできる。図９乃至図１１は本発明に係る発光素子の第４乃至第６実施例に係る透明電極が形成された構造の例を示す図面である。
【００３９】
図９に示したように、本発明の第４実施例に係る透明電極によれば、ｐ型ＧａＮ系層６０１の上に高正孔濃度(１０18ｃｍ-3以上)を有するｐ+型ＩｒＯ層６０２が形成されており、その上には透明電極６０３を形成する。ここで、前記透明電極６０３は任意の金属透明電極(例えば、Ｃｏ−Ｏ/Ａｕ、Ｎｉ−Ｏ/Ａｕ)で形成されることもでき、前記図８を参照して説明した透明電極が形成されることもできる。
【００４０】
ここで、前記ｐ+型ＩｒＯ層６０２は次のような方法により形成されることができる。
一つの方法は、スパッタリングシステムを用いて蒸着する方法で、ＩｒＯまたはＩｒターゲットに対して酸素が含まれたガスプラズマを用いて蒸着を行う方法である。
他の方法は、Ｉｒをエバポレーター(evaporator)またはＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)方法により蒸着してから酸素が含まれている雰囲気で少なくとも４００℃以上の高温で熱処理を行うことにより形成することもできる。このとき、酸化物自体が‘ｐ−conduction’を有するようになる。
【００４１】
そして、図１０に示したように、本発明の第５実施例に係る透明電極によればｐ型ＧａＮ系層７０１の上に高正孔濃度(１０18ｃｍ-3以上)を有するｐ+型ＺｎＯ層７０２が形成されており、その上には透明電極７０３を形成する。ここで、前記透明電極７０３は伝導性と光透過性の優れた金属で形成されることもでき、前記図８を参照して説明した透明電極が形成されることもできる。
【００４２】
ここで、前記ｐ＋型ＺｎＯ層７０２を形成する方法では、スッパター、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤを用いて蒸着することができる。この場合にはＰをドーパントとして使用する。
スパッターの場合、ＺｎＯターゲットを酸素が含まれているガスプラズマとＰＨ3を用いて高濃度ｐ型ＺｎＯを蒸着でき、ＭＯＣＶＤの場合にはＺｎｃｌ2とＯ2、ＰＨ3を用いて成長させることができる。
【００４３】
尚、図１１に示したように、本発明の第６実施例に係る透明電極によればｐ型ＧａＮ系層８０１の上に高濃度のｎ+型ＺｎＯ層８０２が形成されており、その上には透明電極８０３を形成する。ここで、前記透明電極８０３は伝導性と光透過性の優れた金属で形成されることもでき、前記図８を参照して説明した透明電極が形成されることもできる。
【００４４】
前記ｎ+型ＺｎＯ層８０２を形成する方法には、スパッターを用いて蒸着する方法が使用されており、ＭＯＣＶＤを用いて蒸着する方法も模索されている。
スパッターを用いる方法は、まずＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3ターゲットを用いて酸素が含まれた雰囲気でプラズマを形成してから蒸着すると、ＺｎＯ内にＡｌが‘ｎ−conduction dopant’として作用し高濃度ＺｎＯを蒸着できるようになる。
このように形成されたＺｎＯをより正確に表現するとＺｎＯ：ＡｌまたはＡＺＯ(Ａｌ doped ＺｎＯ)と呼ぶ。
【００４５】
このような本発明によれば次のような特性が得られる。
前記ｐ型ＧａＮ系層６０１、７０１の上に高正孔濃度(１０18ｃｍ-3以上)を有するｐ+型ＩｒＯ６０２またはｐ+型ＺｎＯ７０２を形成することにより、その上に構成される前記透明電極６０３、７０３がトンネリング(tunneling)動作原理により容易にオーミック接触を行うことができる。
即ち、高濃度ドーピングを有するＩｒＯとＺｎＯとがその上に構成される透明電極層との関係でトンネリング層(tunneling layer)としての機能をして、これにより優れたオーミック接触を行うことができる。
これは、ドーピング濃度が増加すれば金属半導体接触障壁(metal semiconductor contact barrier)に関わらずトンネリングによりキャリア(carriers)が流れるので自然にオーミック接触が形成されると知られている。
尚、ｎ+型ＺｎＯ層８０２が形成された場合においても、その上に構成される前記透明電極８０３とトンネリング動作原理により容易にオーミック接触を行うようになる。
【００４６】
図１２は本発明の第７実施例に係るオーミック電極において熱処理の前、金属水素化合物層が形成されるｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体のオーミック電極の断面図である。
【００４７】
図１２を参照すると、ｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体層９０１、接触層９０４、ボンディングパッド層９０５が積層されている。
【００４８】
前記接触層９０４が形成される前にｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体の自然酸化層が除去されてから、接触層９０４を構成する金属が蒸着されると、前記接触層９０４をなす金属と、ｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体内の水素が結合して、金属水素化合物層(Metal-H)９０３と、前記金属水素化合物層９０３の下面にｐ＋型の窒化ガリウム系化合物(ｐ+−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体層９０２が形成される。
【００４９】
前記接触層９０４はＰｔ(白金)、Ｔｉ(チタン)、Ｐｄ(パラジウム)、Ｎｉ(ニッケル)、Ｔａ(タンタル)、Ｗ(タングステン)、Ａｌ(アルミニウム)、Ｃｒ(クロム)、Ｖ(バナジウム)、Ｉｒ(イリジウム)、Ｈｆ(ハフニウム)、Ｃｏ(コバルト)の単一層、または重複層が形成されることができる。
【００５０】
尚、前記ボンディングパッド層９０５はＡｕ(金)、Ｐｄ(パラジウム)、Ｒｕ(ルテニウム)、Ｎｉ(ニッケル)、Ｗ(タングステン)、Ｃｏ(コバルト)、Ｍｏ(モリブデン)、Ｃｕ(銅)の単一層、または重複層が形成されることができる。
尚、前記ボンディングパッド層９０５の元素を‘Ｍ’という時、Ｍ−Ｏ(‘Ｍ’酸素化合物)、Ｍ−Ｓｉ(‘Ｍ’ケイ素化合物)、Ｍ−Ｎ(‘Ｍ’窒素化合物)、Ｍ−Ｃ(‘Ｍ’炭素化合物)が形成されることもできる。
【００５１】
尚、前記金属水素化合物層９０３が形成されることにより、ｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体内のキャリアを増加させ、金属と半導体界面に存在するショットキー障壁の高さを低くすることができるようになる。
【００５２】
一方、ｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体内の自然酸化層が除去される方法としてはエッチングに使用される化学薬品またはプラズマ源を使用して除去する。特に、化学薬品が使用される場合には溶液に含まれるＦ(フルオリン)、Ｃｌ(塩素)、Ｓ(硫黄)、ハイドロキシ(ＯＨ)などの元素がｐ型ウエーファー上にパシベーション(passivation)膜を形成して、金属元素の蒸着時に金属とウエーファー内の水素との反応を促進することができる。前記化学薬品としては、ＢＯＥ(Buffered Oxide Etch)溶液の使用が好適である。
【００５３】
図１３は本発明の第７実施例に係るオーミック電極において、熱処理の後のｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体のオーミック電極の構造を示す断面図である。
【００５４】
図１３を参照すると、図１２とは異なり、熱処理によりボンディングパッド層９０５と接触層９０４との間には拡散障壁層９１０がさらに形成され、ｐ＋型窒化ガリウム系化合物(ｐ+−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体層９０２及び金属水素化合物層(Metal-H)９０３がより深くなる。
前記の拡散障壁層９１０はボンディングパッド層９０５と接触層９０４との相互反応で形成される層であり、金属と半導体層との間において望まない反応が抑制される。
【００５５】
尚、熱処理工程により前記接触層９０４とｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体９０１との反応が促進され接触層９０４の金属と水素との活発な反応によりｐ+型の窒化ガリウム系化合物(ｐ+−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体層９０２及び金属水素化合物層(Metal-H)９０３が深くなることにより、キャリアの濃度はより高くなる。結局、より優れたオーミック電極の具現ができるようになる。
【００５６】
一方、図１４は本発明に係る発光素子のｎ型電極の一例を示す図面である。
本発明に係る発光素子の他の例は、図１４に示したように、ｎ−(Ｉｎ，Ａｌ)ＧａＮ層１００１の上にｎ+−(Ｉｎ，Ａｌ)ＧａＮ層１００２が形成されている。そして、前記 ｎ+−(Ｉｎ，Ａｌ)ＧａＮ層１００２の上には第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層１００３が形成されており、前記第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層１００３の上には第１金属層１００４が形成されている。
【００５７】
尚、前記第１金属層１００４の上には第３金属−Ａｌ化合物層１００５が形成されており、前記第３金属−Ａｌ化合物層１００５の上には伝導性酸化防止層１００６が形成されている。
【００５８】
それでは、このような発光素子の電極構造形成過程を図１５乃至図２５を参照して説明する。
【００５９】
図１５は本発明に係る発光素子の透明電極製造方法を説明するための図面である。
【００６０】
まず、透明電極を形成しようとするｐ型ＧａＮ系層１１０１、例えばｐ−(Ｉｎ，Ａｌ)ＧａＮ層上に第１金属層１１０２を形成する。ここで、前記第１金属層１１０２は水素と親和力が優れてｐ型ＧａＮ系層１１０１をなす物質、例えばＧａＮとは反応性が低い金属(特にＮとの反応性が低い金属)の中で選択して形成する。
【００６１】
そして、前記第１金属層１１０２上に第２金属層１１０３を形成する。このとき、前記第２金属層１１０３は今後形成される酸化物内で金属点(伝導性配列物質、図８の５０５参照)に容易に形成されることができる物質を選択して形成する。これに対してはのちほど続けて説明する。
【００６２】
尚、前記第２金属層１１０３上には第３金属層１１０４をさらに形成する。ここで、前記第３金属層１１０４は前記第１金属層１１０２と今後進行される熱処理工程で混合酸化物層(図８の５０４参照)を容易に形成できる物質を選択して形成する。
【００６３】
このように、積層形成された結果物に対して後続工程として、酸素を含む雰囲気上で熱処理(またはプラズマ工程)を行う。これにより、次のような反応が進行される。
【００６４】
まず前記第１金属層１１０２をなす金属は、酸素を含む熱処理工程(またはプラズマ工程)時に前記ｐ型ＧａＮ系層１１０１内部に存在するＭｇ−Ｈ複合構造に存在する水素を効果的に吸収する。これにより、前記第１金属層１１０２は‘(第１金属)−Oxide：Ｈ’(図８の金属酸化物層、５０３)の構造となり、同時にｐ型ＧａＮ系層１１０１は高濃度ｐ型ＧａＮ系層(図８の５０２)とｐ型ＧａＮ系層(図８の５０１)に形成される。
共に、前記第１金属層１１０２をなす金属は前記ｐ型ＧａＮ系層１１０１を形成する物質、例えばＧａＮとの反応性が低いので、特に‘(第１金属)−nitride’のような金属−窒化物形成が難しくなり安定したオーミック電極構造を有するようになる。
そして、前記第３金属層１１０４と第１金属層１１０２一部は熱処理工程により互いに拡散反応が起こり熱的に安定した‘(第３金属)−(第１金属)の混合酸化物’(図８の５０４)が形成される。これは‘(第１金属)−Oxide：Ｈ’層(図８の金属酸化物層、５０３)と共に透明な層を形成し、素子内部で発生した光が素子の外へうまく排出されるように手伝う機能をする。
【００６５】
尚、前記第２金属層１１０３をなす金属物質は熱処理工程により酸化物内部に‘金属点(Metal Dot)’(伝導性配列物質、図８の５０５参照)を形成する。このような金属点は熱処理工程により形成された酸化物層が伝導性を有するようにする‘Conduction Bridge’としての役を行うことにより透明電極５１０が電流を拡散する‘Current Spreader’としての役を行うように手伝う。
これと共に、金属点の大きさと密度を調節することにより酸化物内部の屈折率調整が可能となるので、特に短波長領域で光子(photon)が素子の外へよりうまく抜けるようにする光子経路(photon path)の機能をすることができる。
【００６６】
このような本発明によれば次のような特性を得られる。
【００６７】
まず、酸素親和的で下部に存在するｐ型ＧａＮ系層とは反応性の低い金属物質を接触層として活用することにより熱処理工程後に、接触電極層によりｐ型窒化物半導体でのドーピング濃度を効果的に高め、高品質オーミック接触具現が可能で、安定した界面により素子信頼性の向上が大いに期待される。
【００６８】
さらに、ＴＣＢ(ＴＣＯ conducting Bridge)としての機能をする‘金属点’が酸化物全般に形成されることにより屈折率調節及びキャリア伝導特性を向上させることが容易になり、素子内部で発生した光子が透明電極層で吸収または散乱される損失が少なくなり素子の光出力を画期的に高められる。
【００６９】
さらに、２重ＴＣＯ混合酸化物は熱的に非常に安定なので、結局このような構成を有する透明電極構造は、素子において‘current-spreader’、‘Photon path’、‘Absorption factor against interfacial energy’としての機能が優れて発光素子の電気的、構造的、光学的特性向上及び信頼性確保などに大きい効果が得られる。
【００７０】
一方、前述した各金属層をなす物質の具体的例としては次のような物質が選択できる。
【００７１】
‐第１金属層：Ｐｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｎｉ
‐第２金属層：Ａｕ、Ｐｔ
‐第３金属層：ＺｎＯ、ＩｒＯ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｖ
【００７２】
ここで、第１金属層をなす物質としては、酸化物が容易に形成され且つ水素との反応性の優れた金属を選択し、Ｎとの反応性が殆どない金属を選択する。第１金属層をなす物質とＮとの反応が起こると、ｐ−(Ｉｎ，Ａｌ)ＧａＮ内に存在するドーピング濃度が補償(compensation)現象により低くなるので、オーミック特性形成が難しくなるからである。
【００７３】
尚、第２金属層をなす物質は金属点を形成できる金属の中で選択される。
このような金属点は次のような原理により形成される。即ち、酸化物が形成される金属と形成されない金属を積層して熱処理を行うと、前者の場合は酸化物になり、酸化物にならない金属は表面及び熱エネルギー差によるストレイン(strain)現象により自然に点の形態として成る。このような金属点は酸化物が伝導性を有することに寄与し、さらに金属点の大きさを調節することにより酸化物の屈折率を調節できるようになる。このとき、金属点は各層をなす厚さと、熱処理時間及び温度、雰囲気ガスなどの変化を通してその大きさ及び密度を調節できるようになる。
【００７４】
前記第１金属層をなす物質及び第２金属層をなす物質と酸素とのエンタルピーエネルギー(Enthalpy Energy(KJ/mole of atoms))を示すと次のようになる。即ち、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｎｉは酸化物形成が非常に容易な金属であり、そのエンタルピーエネルギーはＰｄ−Ｏ(−５６)、Ｎｉ−Ｏ(−１２０)、Ｉｒ−Ｏ(−８０)、Ｚｎ−Ｏ(−１７４)の値を示す。
【００７５】
尚、Ａｕ、Ｐｔは酸化物形成が非常に難しい金属であり、そのエンタルピーエネルギーはＡｕ−Ｏ(−１〜１０)、Ｐｔ−Ｏ(＋値)の値を示す。
【００７６】
そして、第３金属層は前述したように第１電極層をなす金属と容易に混合酸化物層を形成できる金属の中で選択される。
【００７７】
このような物質の中で、ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層上に第１電極層としてＩｒを蒸着し、その上に第２電極層としてＡｕを蒸着してから、第３電極層としてＺｎＯを蒸着し酸素雰囲気で熱処理を５５０℃で行う場合には次のような層が形成される。
【００７８】
ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ/ｐ+−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ/ＩｒＯ：Ｈ/Ｉｒ−ＺｎＯ(Ａｕは金属点の形態で酸化物内部に存在するようになる)
【００７９】
ここで、ＩｒＯ：ＨはＩｒに比べて金属一函数の値が大きいので(Ｉｒ＝４．７ｅＶ、ＩｒＯ：Ｈ≧５．４ｅＶ)ｐ型オーミック電極形成に大きい寄与ができる。
【００８０】
尚、酸化物になる瞬間に熱的/構造的に安定になり、一般に酸化物が多結晶(polycrystal)構造を有することに反してＧａＮと安定したエピタクシャル(epitaxial)な関係を有するようになる。
【００８１】
従って、上部に形成されるＩｒ−Ｚｎｏ混合酸化物層が同じヘテロエピタクシャル(heteroepitaxial)な関係を有するように手伝う役をする。
【００８２】
これは光素子内部で発生した光子が素子の外へうまく放出されるように寄与する。共に、安定した電極界面形成が可能となるので電極信頼性が大いに向上できるようになる。
【００８３】
以下、本発明に係るｐ型窒化ガリウム系化合物半導体(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)のオーミック電極の形成過程の具体的例を説明する。
【００８４】
(第１オーミック電極形成方法)
ｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体をＴＣＥ、アセトン、メタノール、蒸留水で超音波洗浄器で６０℃の温度で５分ずつ表面洗浄する。そして、ｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体内の自然酸化層を除去するためにフルオリン系列のwet solutionであるＢＯＥを用いて沸かす方法で１０分間表面処理して自然酸化層を除去する。
その後、水素との反応性の優れた金属であるＰｔ、Ｔｉを接触層として個別的に電子ビーム蒸着機を用いて蒸着する。
【００８５】
図１６、１７は前記の第１オーミック電極形成方法により白金水素化合物層とチタン水素化合物層を確認するためにＳＩＭＳ深さ分析をした結果を示すグラフである。
【００８６】
(第２オーミック電極形成方法)
第１オーミック電極形成方法と同一な方法でｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体内の自然酸化層を除去してから、Ｃ−ＴＬＭ(Circular-transmission line model)パターンをリソグラフィーを用いて形成してから、金属蒸着を行う。蒸着は大略１０-7torrの圧力でＰｔを２０ｎｍの厚さで接触層として蒸着し、酸素との反応性の低いＡｕを２０ｎｍの厚さでボンディングパッド層として蒸着する。その後、アセトンでlift-off工程を行いＴＬＭパターンを有するオーミック電極を製作する。
【００８７】
図１８は第２オーミック電極形成方法により製作されたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面である。
【００８８】
(第３オーミック電極形成方法)
第２オーミック電極形成の工程を全て経た後、オーミック条件を探すがめ加熱炉で窒素、大気、酸素またはアルゴン雰囲気で６０℃の温度で１分間熱処理を行う。
【００８９】
図１９は第３オーミック電極形成方法により熱処理が行われたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面であり、図２０は第２オーミック電極形成方法において熱処理時間が経過するにつれて比接触抵抗の結果を示す図面である。
【００９０】
図１９及び図２０を参照すると、前記の過程により優れたオーミック接触特性を得られたことが分かる。特に、比接触抵抗値が１０-5Ωｃｍ2以下の値であることが分かる。
【００９１】
(第４オーミック電極形成方法)
第４オーミック電極形成方法は第２オーミック電極形成方法とほぼ同一で、ただ、Ｐｔの変わりにＴｉを接触層として蒸着することだけ異なる。
【００９２】
図２１は第４オーミック電極形成方法により製作されたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面である。
【００９３】
(第５オーミック電極形成方法)
第５オーミック電極形成方法は第４オーミック電極形成の工程を全て経た後オーミック条件を探すため加熱炉で窒素、大気、酸素またはアルゴン雰囲気で６００℃の温度で１分間熱処理を行う。
【００９４】
図２２は第５オーミック電極形成方法により熱処理が行われたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面であり、図２３は第５オーミック電極形成方法において熱処理時間が経過するにつれて比接触抵抗の結果を示す図面である。
【００９５】
図２２及び図２３を参照すると、前記の過程により優れたオーミック接触特性を得られたことが分かる。
【００９６】
以下、本発明に係る思想が適用されるオーミック電極の面抵抗値と従来の面抵抗値を比較して説明する。
【００９７】
図２４は本発明に係るオーミック電極の面抵抗値の変化を示す図面である。
図２４は、金属水素化合物層の形成により誘発されるｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体内のキャリアの濃度増加を示している。
例えば、自然酸化層の除去及び金属水素化合物層が形成されない従来のオーミック電極の面抵抗値に比べて、本発明により金属水素化合物層が形成されたオーミック電極ではより低い面抵抗値が観察される。
図面には実施例で提示される方法で白金−水素化合物及びチタン−水素化合物が形成される時だけでなく、同一な条件下でニッケル−水素化合物とパラジウム−水素化合物が形成される時の面抵抗値の変化を示している。
【００９８】
図２５は本発明に係る発光素子の電極製造方法の他の実施例を説明するための図面である。
ここでは、ｐ型電極とｎ型電極を別々に形成することでなく、同一な工程でｐ型電極とｎ型電極とを一緒に形成することに特性がある。
【００９９】
まず、図６に示したような‘open’電極構造のｐ型電極と、図１４に示したようなｎ型電極を同時に形成する工程に対して説明する。
【０１００】
図２５に示したように、ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層及びｎ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１の上に第１金属層１２０２を形成する。ここで、前記ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１はｐ型電極が形成される領域であり、前記ｎ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１はｎ型電極が形成される領域を示す。
そして、前記第１金属層１２０２の上にＡｌ系物質からなる第２金属層１２０３を形成する。
尚、前記第２金属層１２０３の上には第３金属層１２０４を形成し、前記第３金属層１２０４の上には伝導性酸化防止層１２０５をさらに形成する。
【０１０１】
ここで、前記第１金属層１２０２をなす物質はＧａとＮとの反応性の高い金属又は化合物で構成される。そして、前記第３金属層１２０４をなす物質はＡｌと反応性の高い金属または化合物で構成され、前記伝導性酸化防止層１２０５をなす物質と反応性のない金属または化合物で構成されるようにする。
【０１０２】
以後、前記結果物に対する熱処理を行うことにより本発明で提示しようとする発光素子のｐ型電極及びｎ型電極を同時に形成することができる。
【０１０３】
それでは、熱処理過程により形成される各層に対して具体的に説明する。
【０１０４】
熱処理過程を行うことにより、前記ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層(図６の４０１参照)及びｎ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層(図１４の１００１参照)の上部領域はそれぞれｐ+−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層４０２及びｎ+−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１００２に形成される。
そして、前記ｐ+−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層４０２の上には第１金属−Ｇａ化合物層４０３が形成され、前記ｎ+−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１００２の上には第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層１００３が形成される。
【０１０５】
尚、前記第１金属−Ｇａ化合物層４０３及び第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層１００３の上には第１金属層４０４、１００４が形成され、前記第１金属層４０４、１００４の上には第３金属−Ａｌ化合物層４０５、１００５が形成される。そして、前記第３金属−Ａｌ化合物層４０５、１００５の上には伝導性酸化防止層４０６、１００６が形成される。
【０１０６】
一方、図２５に示した前記第１金属層１２０２は、オーミックを形成するために行う熱処理工程時に、ｐ型電極において第１金属層１２０２上部金属元素らとｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１との界面反応を抑制するために導入する拡散障壁をなすために存在する層である。そして、前記第１金属層１２０２はｎ型電極ではＧａとＮとの反応性の優れた特性を有しており、これにより界面では第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層１００３が形成されるので電極層との接触性が優秀となる。
【０１０７】
このような基本的概念からなるｐ型電極及びｎ型電極は熱処理過程を通して次のような構造の変化が発生するようになる。
【０１０８】
まず、第１金属層１２０２をなす物質はｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１でＧａと反応して第１金属−Ｇａ化合物層４０３/第１金属層４０４の２重層へと転換される。ここで形成される２重層は第２金属層１２０３以後の上部電極物質と半導体との相互反応を抑制する第１拡散障壁として作用するようになる。
【０１０９】
同時に ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１はｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層４０１/ｐ+−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層４０２へと転換される。これは、第１金属−Ｇａ化合物層４０３の形成によりｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層４０１でＧａ空孔(Ｇａ Vacancy)が形成されるが、このようなＧａ空孔はｐ型窒化物半導体でアクセプターとして作用するので前記のような構造への転換がなされるのである。
【０１１０】
同時にｎ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ窒素空孔が第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層１００３を形成することにより表面の付近でキャリア濃度が増加しｎ−(Ｉｎ，Ａｌ)ＧａＮ層１００１/ｎ+−(Ｉｎ，Ａｌ)ＧａＮ層１００２構造に変更された構造を有するようになる。
【０１１１】
尚、前記第２金属層１２０３をなす物質であるＡｌは第３金属層１２０４をなす物質である第３金属と反応して第３金属−Ａｌ化合物層４０５、１００５が形成される。そして、前記第３金属−Ａｌ化合物層４０５、１００５は伝導性酸化防止層１２０５をなす物質と下部電極及び半導体との望まない反応を抑制する第２拡散障壁としての機能をし、最終的には電極の熱的安定性を高める役をする。
前記伝導性酸化防止層１２０５をなす物質は熱処理及びその他の後続工程で発生しやすい酸素、水などのような汚染物質が電極内部へ浸透することを防ぐ。
そして、前記伝導性酸化防止層１２０５は外部からキャリアが電極内部に上手く流入するように伝導性の高い物質で構成され、従って電極表面の熱的/化学的安定性を高める役をする物質で構成される。
【０１１２】
一方、前述した各金属層は次のような物質で形成されることができる。
【０１１３】
−第１金属層：Ｃｒ、Ｖ、Ｗ
−第２金属層：ＡｌまたはＮｉ−Ａｌ
−第３金属層：Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ
−伝導性酸化防止層：ＡｕまたはＡｕを含む２重以上の多重金属または化合物層
【０１１４】
ここで、第１金属層をなすＣｒ、Ｖ、Ｗはｐ−ＧａＮ層ではＧａとの反応性が優れて、ｎ−ＧａＮ層ではＮとの反応性が優れている。このように、同一な金属がｐ−ＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層で相違する反応が発生する理由は電気陰性度と金属−半導体界面で形成される界面エネルギーの差から起因する。
即ち、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ金属は全てＧａ及びＮとの反応性のある物質である。このとき、前記のような原因により反応される物質が異なるようになり、ｐ−ＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層においてその反応結果が異なるようになる。
各物質の反応程度を示す‘Heat Formation Enthalpy Energy’次のようになる。
【０１１５】
−ｐ型電極
Ｃｒ−Ｇａ：−２０〜−３０ＫＪ/mole of atoms
Ｖ−Ｇａ：−６７ＫＪ/mole of atoms
Ｗ−Ｇａ：−１ＫＪ/mole of atoms
−ｎ型電極
Ｃｒ−(Ｇａ)−Ｎ：−３５ＫＪ/mole of atoms
Ｖ−(Ｇａ)−Ｎ：−４０ＫＪ/mole of atoms
Ｗ−(Ｇａ)−Ｎ：−２４ＫＪ/mole of atoms
【０１１６】
尚、Ａｌを含む拡散障壁形成は常温蒸着時に既に形成可能な構造で[理由はＮｉＡｌ(−３８ＫＪ/mole of atoms at ２９８Ｋ)、ＰｔＡｌ(−１００ＫＪ/mole of atoms at  ２９８Ｋ)、ＰｄＡｌ(−８４ＫＪ/mole of atoms at  ３７３Ｋ)]、熱処理を通してより完全な金属−Ａｌ化合物が形成される。
例えば、電子ビーム蒸着機(Ｅ-beam evaporator)を用いて発光素子を構成する半導体構造物の上にＣｒ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕを順番に蒸着すると、常温でＣｒ/Ａｌ/Ｎｉ−Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕの構造になり、窒素を含む雰囲気ガスで５２０℃で熱処理することにより本発明が提示する電極構造を形成することができる。
【０１１７】
一方、図７に示したような‘close’電極構造のｐ型電極と、図１４に示したようなｎ型電極を同時に形成する工程は、前述したものと類似しているので詳しい説明は省略する。
【０１１８】
ただ、‘close’電極構造のｐ型電極を形成するためにはｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１と第１金属層１２０２の間にｐ型透明電極層(図７の４１０参照)がさらに形成されるようにする。即ち、前記ｐ−(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ層１２０１の上にｐ型透明電極層４１０を形成してから、前記第１金属層１２０２、第２金属層１２０３、第３金属層１２０４及び伝導性酸化防止層１２０５を積層形成した後、熱処理を行う。
【０１１９】
尚、本発明で提案される電極構造はｎｐ型発光素子、ｎｐｎ型発光素子だけでなく、(Ｉｎ、Ａｌ)ＧａＮ半導体を用いた他の電子素子、光電子素子などに直接的な応用が可能である。
【０１２０】
具体的にUnipolar n-channel素子(ＨＥＭＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴなど)では本発明で提案される電極がソースとドレイン電極への応用が可能であり、p-channelの場合にはゲート電極への応用が可能である。
【０１２１】
尚、Biopolar素子の場合にもＮＰＮ、ＰＮＰ構造によってエミッター、ベース、コレクター電極に直接的な適用が可能である。さらに、光検出器(Photo detector)の電極にもオーミックまたはショットキー電極として応用が可能である。
【０１２２】
本発明によれば、既存の発光素子に適用された独立したｎ型とｐ型電極を形成する方法とは異なり、一つの電極構造を通して同時にｐ型オーミック電極とｎ型オーミック電極特性を満足する同時型オーミック電極を具現できる。
【０１２３】
尚、本発明によれば、前述した１次拡散障壁である、ｐ型電極の‘第１金属−Ｇａ化合物層４０３/第１金属層４０４’及びｎ型電極の‘第１金属−Ｇａ−Ｎ化合物層１００３’と、２次拡散障壁である‘第３金属−Ａｌ化合物層４０５、１００５’、‘伝導性酸化防止層４０６、１００６’の安定した特性により電極の熱的/構造的安定性が既存の電極に比べて大いに向上する。
【０１２４】
さらに、優れた電気的/熱的/構造的特性を有する電極は発光素子の信頼性向上に寄与し、これにより素子寿命を大いに増大させることができる。
【０１２５】
尚、注入される素子の実際の電流密度を増加させる効果があるので素子のターンオン(Turn-on)電圧減少を効果的に誘発することにより素子消耗電力を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】は従来発光素子のｐ型電極の一例を示す図面である。
【図２】は従来発光素子のｐ型電極の多重構造の例を示す図面である。
【図３】は従来発光素子のｐ型電極の多重構造の他の例を示す図面である。
【図４】は従来発光素子のｐ型電極の他の例を示す図面である。
【図５】は従来発光素子のｎ型電極の一例を示す図面である。
【図６】は本発明に係る発光素子のｐ型電極の第１実施例を示す図面である。
【図７】は本発明に係る発光素子のｐ型電極の第２実施例を示す図面である。
【図８】は本発明に係る発光素子の第３実施例に透明電極が形成された構造を示す図面である。
【図９】は本発明に係る発光素子の第４実施例に透明電極が形成された構造を示す図面である。
【図１０】は本発明に係る発光素子の第５実施例に透明電極が形成された構造を示す図面である。
【図１１】は本発明に係る発光素子の第６実施例に透明電極が形成された構造を示す図面である。
【図１２】は本発明の第７実施例に係るオーミック電極において熱処理の前、金属水素化合物層が形成されるｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体のオーミック電極の断面図である。
【図１３】は本発明の第７実施例に係るオーミック電極において、熱処理の後のｐ型窒化ガリウム系化合物(ｐ−(Ａｌ)x(Ｉｎ)y(Ｇａ)1-(x+y)Ｎ)半導体のオーミック電極の構造を示す断面図である。
【図１４】は本発明に係る発光素子のｎ型電極の一例を示す図面である。
【図１５】は本発明に係る発光素子の透明電極製造方法を説明するための図面である。
【図１６】は本発明に係る発光素子の第１オーミック電極形成方法により白金水素化合物層を確認するためＳＩＭＳ深さ分析をした結果を示すグラフである。
【図１７】は本発明に係る発光素子の第１オーミック電極形成方法によりチタン水素化合物層を確認するためＳＩＭＳ深さ分析をした結果を示すグラフである。
【図１８】は本発明に係る発光素子の第２オーミック電極形成方法により製作されたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面である。
【図１９】は本発明に係る発光素子の第３オーミック電極形成方法により熱処理が行われたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面である。
【図２０】は本発明に係る発光素子の第３オーミック電極形成方法において熱処理時間が経過するにつれて比接触抵抗の結果を示す図面である。
【図２１】は本発明に係る発光素子の第４オーミック電極形成方法により製作されたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面である。
【図２２】は本発明に係る発光素子の第５オーミック電極形成方法により熱処理が行われたオーミック電極の電流−電圧特性を示す図面である。
【図２３】は本発明に係る発光素子の第５オーミック電極形成方法において熱処理時間が経過するにつれて比接触抵抗の結果を示す図面である。
【図２４】は本発明に係るオーミック電極の面抵抗値の変化を示す図面である。
【図２５】は本発明に係る発光素子の電極製造方法の他の実施例を説明するための図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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