(57)【要約】【課題】本発明の実施形態は、パッド電極の下に信頼性の高い電流ブロック構造を備える半導体発光装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、前記第２の半導体層の前記発光層とは反対側の表面に設けられた導電性酸化物を含む第１の層と、前記第１の層の一部に接触し、前記導電性酸化物を還元する材料を含んだ第１の電極と、前記第１の電極の表面を覆う第１の部分と、前記第１の層に接触する第２の部分と、を有する第２の電極と、前記第１の半導体層に電気的に接続された第３の電極と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第２の半導体層の前記発光層とは反対側の表面に設けられた導電性酸化物を含む第１の層と、
前記第１の層の一部に接触し、前記導電性酸化物を還元する材料を含んだ第１の電極と、
前記第１の電極の表面を覆う第１の部分と、前記第１の層に接触する第２の部分と、を有する第２の電極と、
前記第１の半導体層に電気的に接続された第３の電極と、
を備え、
前記第１の層は、前記第１の電極が接触した前記第１の層の表面から前記第２の半導体層の方向に延在した、前記第１の層の他の部分よりも高抵抗の領域を有し、
前記第１の電極は、Ａｌ、ＮｉおよびＭｇのうちの少なくとも１つを含んだ金属であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第２の半導体層の前記発光層とは反対側の表面に設けられた導電性酸化物を含む第１の層と、
前記第１の層の一部に接触し、前記導電性酸化物を還元する材料を含んだ第１の電極と、
前記第１の電極の表面を覆う第１の部分と、前記第１の層に接触する第２の部分と、を有する第２の電極と、
前記第１の半導体層に電気的に接続された第３の電極と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
前記第１の層は、前記第１の電極が接触した前記第１の層の表面から前記第２の半導体層の方向に延在した、前記導電性酸化物層の他の部分よりも高抵抗の領域を有することを特徴とする請求項２記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｇのうちの少なくとも１つを含んだ金属であることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
前記導電性酸化物を含む層と、前記導電性酸化物を含む層に接した前記第１の電極と、を熱処理し、前記導電性酸化物を含む層の前記第１の電極が接触した表面から前記第２の半導体層の方向に延在した、前記第１の層の他の部分よりも高抵抗の領域を前記第１の層の中に形成することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光装置の出力を向上させるためには、半導体層からの光の取り出し効率を向上させることが有効である。例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）では、発光層に電流を供給するために設けられたパッド電極の下で発光する光を外部に取り出すことが難しい。このため、パッド電極の下に電流ブロック層を設け、発光を抑制する構造が用いられる。しかしながら、電流ブロック層を設けることにより、例えば、パッド電極の密着度の低下などの不具合が生じる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、信頼性の高い電流ブロック構造を備える半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体発光装置は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた発光層と、前記第２の半導体層の前記発光層とは反対側の表面に設けられた導電性酸化物を含む第１の層と、前記第１の層の一部に接触し、前記導電性酸化物を還元する材料を含んだ第１の電極と、前記第１の電極の表面を覆う第１の部分と、前記第１の層に接触する第２の部分と、を有する第２の電極と、前記第１の半導体層に電気的に接続された第３の電極と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を示す模式断面図である。
【図３】図２に続く半導体発光装置の製造過程を示す模式断面図である。
【図４】導電性酸化物の形成過程における酸素ガスの含有率とシート抵抗の関係を示すグラフである。
【図５】第２の実施形態に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体発光装置の断面を示す模式図である。
【図７】比較例に係る半導体発光装置の部分断面を示す模式図、および、電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。ここでは、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型として説明するが、第１導電型をｐ型として、第２導電型をｎ型とすることも可能である。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、本実施形態に係る半導体発光装置１００の断面を例示する模式図である。半導体発光装置１００は、窒化物半導体を材料とするＬＥＤである。そして、例えば、第１の半導体層であるｎ型ＧａＮ３と、第２の半導体層であるｐ型ＧａＮ層７と、ｎ型ＧａＮ層３およびｐ型ＧａＮ層７の間に設けられた発光層５とを備えている。
【０００９】
発光層５は、例えば、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層とで構成される量子井戸を含む。そして、ｎ型ＧａＮ層３、発光層５およびｐ型ＧａＮ層の順に、例えば、サファイア基板２の上に設けられる。
【００１０】
さらに、ｐ型ＧａＮ層７の発光層５とは反対側の表面に透明電極１１が設けられる。透明電極１１は、導電性酸化物を含む層（第１の層）である。導電性酸化物としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。
【００１１】
透明電極１１の表面には、ｐ電極１５が設けられる。そして、ｐ電極１５と透明電極１１との間には、第１の電極である還元電極１３が設けられる。還元電極１３は、透明電極１１の一部に接触し、透明電極１１に含まれる導電性酸化物を還元する材料を含む。そして、図１に示すように、第２の電極であるｐ電極１５は、還元電極１３の表面を覆う第１の部分であるパッド部１５ａと、透明電極１１に接触する第２の部分であるコンタクト部１５ｂと、を有する。
【００１２】
さらに、還元電極１３が透明電極１１に接触する部分には、電流ブロック領域１７が設けられる。つまり、透明電極１１の一部に、電流ブロック領域１７が形成されている。電流ブロック領域１７は、透明電極１１の表面からｐ型ＧａＮ層７の方向に延在している。電流ブロック領域１７は、導電性酸化物が還元された領域であり、透明電極１１の他の部分よりも高抵抗となる。
【００１３】
一方、ｐ型ＧａＮ層７および発光層５を選択的に除去して露出させたｎ型ＧａＮ層３の表面には、第３の電極であるｎ電極９が設けられる。ｎ電極９は、ｎ型ＧａＮ層３に電気的に接続される。
【００１４】
半導体発光装置１００は、ｐ電極１５のパッド部１５ａおよびｎ電極９にそれぞれボンディングされる金属ワイヤを介して、ｐ電極１５とｎ電極９との間に駆動電流を流すことにより機能する。ｐ電極１５は、コンタクト部１５ｂにおいて透明電極１１に電気的に接続される。そして、ｐ電極１５から、透明電極１１、ｐ型ＧａＮ層７、発光層５およびｎ型ＧａＮ層３を介してｎ電極９に駆動電流が流れる。これにより、ｐ型ＧａＮ層７から正孔、ｎ型ＧａＮ３層から電子が発光層５に注入され、発光層５は青色の発光光を放射する。
【００１５】
例えば、ＩＴＯを導電性酸化物として含む透明電極１１は可視光を透過する。したがって、発光層５から放射される発光光は、透明電極を介して外部に取り出すことができる。一方、ｐ電極１５には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を積層した電極を用いる。したがって、ｐ電極１５は光を透過しないため、ｐ電極１５の直下において発光層５から放射された発光光を取り出すことはできない。
【００１６】
そこで、半導体発光装置１００では、高抵抗の電流ブロック領域１７を設けることにより電極１５の直下に流れる電流を低減し、ｐ電極１５の直下の発光層５における発光を抑制する。これにより、発光層７の上にｐ電極１５が設けられていない領域における発光の割合が増加し、発光層５から放射される発光光の取り出し効率を向上させることができる。
【００１７】
次に、図２および図３を参照して、半導体発光装置１００の製造過程を説明する。図２および図３の各断面図は、それぞれの工程におけるウェーハの部分断面を模式的に示している。
【００１８】
図２（ａ）は、サファイア基板２の上に、ｎ型ＧａＮ層３、発光層５、ｐ型ＧａＮ層７、および、透明電極１１が順に設けられた状態を示している。ｎ型ＧａＮ層３および発光層５、ｐ型ＧａＮ層７は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成することができる。透明電極１１は、例えば、スパッタ法を用いて形成することができる。
【００１９】
サファイア基板２に代えて、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、およびＳｉ基板などを用いることができる。また、サファイア基板２と、ｎ型ＧａＮ層３との間に、アンドープのＧａＮバッファ層を形成しても良い。
【００２０】
透明電極１１には、ＩＴＯの他にＺｎＯ、ＴｉＯなどの導電性酸化物を含む膜を用いることができる。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、透明電極１１の表面に、還元電極１３を選択的に形成する。還元電極１３には、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、マグネシウム（Ｍｇ）など還元性の強い元素、所謂イオン化傾向の大きい元素を含む材料を用いることができる。さらに、還元電極１３は、炭化物や水素化物を含んでも良い。例えば、上記の還元性元素を含んだ金属膜をスパッタ法で形成し、その後、フォトリソグラフィを用いて所定の形状にパターニングする。
【００２２】
続いて、透明電極１１と、それに接した還元電極１３とを熱処理する。例えば、３００℃〜７００℃の温度範囲に設定された窒素雰囲気の熱処理炉を用いて、透明電極１１および還元電極１３が形成されたウェーハを処理する。これにより、透明電極１１の還元電極１３が接触した表面からｐ型ＧａＮ層７の方向に、電流ブロック領域１７を形成することができる。すなわち、透明電極１１に含まれる導電性酸化物は、還元電極１３に含まれる還元性の強い元素に酸素を奪われて高抵抗化する。そして、透明電極１１の他の部分よりも高抵抗の電流ブロック領域１７を形成することができる。
【００２３】
次に、図３（ａ）に示すように、還元電極１３を覆うｐ電極１５を形成する。ｐ電極１５は、前述したように、例えば、ＮｉおよびＡｕを順に積層した多層膜を用いることができる。Ｎｉ／Ａｕの多層膜は、例えば、真空蒸着法を用いて形成することができる。そして、還元電極１３を覆うパッド部１５ａと、透明電極１１に接触するコンタクト部１５ｂと、を有する形状にパターニングする。
【００２４】
ｐ電極１５にＮｉ／Ａｕを用いた場合、コンタクト部１５ｂにおいて、透明電極１１とＮｉ膜とが接触するが、所定温度以上の熱処理を施さなければ、透明電極１１に含まれる導電性酸化物を還元することはない。したがって、透明電極１１とｐ電極１５との間にオーミックコンタクトを形成することができる。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すように、透明電極１１の表面からｎ型ＧａＮ層３に至る選択エッチングを施し、ｎ型ＧａＮ層３の表面を露出させる。例えば、レジスト膜をエッチングマスクとし、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、透明電極１１およびｐ型ＧａＮ層７、発光層５を除去する。
【００２６】
続いて、ｎ型ＧａＮ層３の表面に、ｎ電極９を形成する。例えば、スパッタ法を用いて、チタン（Ｔｉ）およびＡｌを順に積層した多層膜を形成し、所定の形状にパターニングする。
【００２７】
次に、電流ブロック領域１７について説明する。図４は、ＩＴＯ膜の形成過程における反応ガス中の酸素ガスの含有率と、ＩＴＯ膜のシート抵抗の関係を示すグラフである。横軸に酸素ガスの含有率を示し、縦軸にＩＴＯのシート抵抗を示している。
【００２８】
ＩＴＯ膜はスパッタ法を用いて形成することができる。例えば、ＩＴＯターゲットをＡｒイオンでスパッタすることにより、被処理ウェーハの表面にＩＴＯ膜を形成する。この際、スパッタガスであるアルゴンガス（Ａｒ）に酸素ガス（Ｏ２）を混合することにより、ＩＴＯ膜のシート抵抗を制御することができる。
【００２９】
図４に示すように、酸素ガスを混合しない場合、ＩＴＯ膜のシート抵抗は、５００Ω／□である。そして、ＩＴＯ膜は、酸素ガスの含有率が増えるにしたがって低抵抗化し、０．６〜０．７％で極小のシート抵抗となる。このように、ＩＴＯ膜の抵抗は、その中に含まれる酸素の量に敏感である。
【００３０】
すなわち、図４に示すグラフは、透明電極１１に含まれるＩＴＯを還元し酸素を奪い取ることにより高抵抗化できることを示している。したがって、本実施形態に示すように、ｐ電極１５のパッド部１５ａの下に還元電極１３を形成し熱処理を施すことにより、電流ブロック領域１７を形成することができる。そして、前述したように、電流ブロック領域１７は、ｐ電極１５の直下に流れる電流を低減し、発光層５から放射される発光光の取り出し効率を向上させる。
【００３１】
さらに、本実施形態に係る半導体発光装置１００では、ｐ電極１５の下に形成される電流ブロック構造の信頼度を向上させる。
【００３２】
例えば、図７に、比較例に係る半導体発光装置４００の部分断面を示す。図７（ａ）は、ｐ電極１５の構造を示す模式断面図である。図７（ｂ）および（ｃ）は、電子顕微鏡写真である。
【００３３】
図７（ａ）に示すように、半導体発光装置４００では、ｐ型ＧａＮ層７の表面に選択的に電流ブロック層３１が設けられる。電流ブロック層３１は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である。そして、電流ブロック層３１を覆って、透明電極１１が設けられる。さらに、電流ブロック層３１の上に、透明電極１１を介してｐ電極１５が設けられる。
【００３４】
図７（ｂ）は、半導体発光装置４００の製造過程における電流ブロック層３１の端部の断面を写した電子顕微鏡写真である。ｐ型ＧａＮ層７の上に電流ブロック層３１が設けられ、さらに透明電極１１であるＩＴＯ膜が形成された状態を示している。
【００３５】
図７（ｃ）は、図７（ｂ）に示す工程よりも後の工程における電流ブロック層３１の端部の断面を示す電子顕微鏡写真である。ここでは、電流ブロック層３１の端部が後退し、ｐ型ＧａＮ層７と透明電極１１との間に空洞ができている。このような空洞は、ＩＴＯ膜を通して侵入したエッチング液が、電流ブロック層３１をエッチングして生じたものと考えられる。
【００３６】
例えば、電流ブロック層３１の端の段差上に形成されたＩＴＯ膜には、クラックが生じ易い。図７（ｂ）に示すように、電流ブロック層３１の端部は傾斜しており、その段差が緩和されているにもかかわらず、ＩＴＯ膜にクラックが生じる場合がある。そして、ＩＴＯ膜を形成した後の工程において、そのクラックを通してエッチング液が侵入したものと考えられる。
【００３７】
図７（ｃ）に表れた空洞は、透明電極１１の密着度を低下させ、例えば、ワイヤボンディング時にｐ電極１５の剥離を生じさせる場合がある。すなわち、比較例に係る半導体発光装置４００では、電流ブロック構造の信頼度に問題がある。
【００３８】
これに対し、本実施形態に係る半導体発光装置１００では、透明電極１１は、ｐ型ＧａＮ層７の平坦な表面に形成される。したがって、透明電極１１に含まれる導電性酸化物におけるクラック等の欠陥の発生を抑制することができる。その結果、透明電極１１の密着度の低下を防ぐことが可能であり、電流ブロック構造の信頼度を向上させることができる。
【００３９】
（第２の実施形態）  
図５は、本実施形態に係る半導体発光装置２００の断面を示す模式図である。半導体発光装置２００は、所謂Thin Film LEDと呼ばれる発光装置であり、ｎ型ＧａＮ層３および発光層５、ｐ型ＧａＮ層７を含む積層体を、サファイア基板２から別の支持基板２１に移載した構造を有する。
【００４０】
図５に示すように、支持基板２１の上に、接合金属２３を介して、ｐ電極１５、透明電極１１、ｐ型ＧａＮ層７、発光層５およびｎ型ＧａＮ層３が設けられている。そして、ｎ型ＧａＮ層３の表面に、ｎ電極９が選択的に設けられている。支持基板２１には、例えば、ｐ型シリコン基板を用いることができる。
【００４１】
ｐ電極１５と透明電極１１との間には、還元電極１３が選択的に設けられ、電流ブロック領域１７が形成されている。ｐ電極１５は、還元電極１３を覆う第１の部分１５ａと、透明電極１１の接する第２の部分であるコンタクト部１５ｂを有している。
【００４２】
半導体発光装置２００では、ｐ電極１５は、発光層５から放射された発光を反射する反射電極として機能する。そして、発光層５から放射される発光のうちのｐ電極１５の側に伝播する光は、ｐ電極１５によりｎ型ＧａＮ層３の方向に反射される。すなわち、発光層５から放射される発光は、サファイア基板２が除去されたｎ型ＧａＮ層３の側から放射される。これにより、発光の取り出し効率を向上させることができる。そして、ｎ電極９と対向して設けられた電流ブロック領域１７により、ｎ電極９の直下における発光層５の発光が抑制されるため、取り出し効率をさらに高めることができる。
【００４３】
本実施形態に係る半導体発光装置２００でも、透明電極１１は、ｐ型ＧａＮ層７の平坦な表面に形成されるため、その密着度を向上させることが可能である。これにより、電流ブロック構造の信頼度を向上させることができる。
【００４４】
上記の第１および第２の実施形態では、ｎ型ＧａＮ層３およびｐ型ＧａＮ層７を備えるＬＥＤを例に説明したが、組成式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＧａＮ系窒化物半導体を、適宜組み合わせて構成することもできる。さらに、例えば、ｐ型ＧａＮ層７と発光層５との間に電子のオーバーフローを防止するブロック層を挿入し、ｎ型ＧａＮ層３と発光層５との間に超格子層を設けても良い。
【００４５】
さらに、上記の第１および第２の実施形態は、窒化物半導体に限られず、例えば、ＩｎＧａＡｌＰもしくはＧａＡｌＡｓなど、他の材料を用いる半導体発光装置に適用することができる。
（第３の実施形態）
【００４６】
図６は、ＩｎＧａＡｌＰを材料とする半導体発光装置３００の断面構造を示す模式図である。例えば、ＩｎＧａＡｌＰを材料とするＬＥＤでは、図１におけるサファイア基板２に代えてｎ型ＧａＡｓ基板３２を用いる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板３２の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層３３、発光層３５およびｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層３７が設けられる。発光層３５は、例えば、ＩｎＧａＰ井戸層およびＩｎＧａＡｌＰ障壁層で構成される量子井戸を含む。
【００４７】
さらに、図１に示す半導体発光装置１００と同じように、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層３７の上に、透明電極１１および還元電極１３、ｐ電極１５が設けられる。そして、熱処理を施すことにより、透明電極１１の中に電流ブロック領域１７が形成される。一方、サファイア基板２と異なり、ｎ型ＧａＡｓ基板３２は導電性を有する。したがって、ｎ電極９は、ｎ型ＧａＡｓ基板３２の裏面に形成することができる。
【００４８】
本実施形態に係る半導体発光装置３００でも、透明電極１１は、平坦な表面を有するｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層３７の表面に形成されるため、その密着性が改善され電流ブロック構造の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
さらに、図５に示す半導体発光装置２００と同様のThin Film構造も形成することができる。すなわち、透明電極１１および還元電極１３、ｐ電極１５、電流ブロック領域１７を形成した後、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層３３および発光層３５、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層３７を、ｎ型ＧａＡｓ基板３２からｐ型シリコン基板に移載する。これにより、Thin Film LEDを構成することができる。
【００５０】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋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（窒素）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。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
２・・・サファイア基板、  ３・・・ｎ型ＧａＮ層、  ５、３５・・・発光層、  ７・・・ｐ型ＧａＮ層、  ９・・・ｎ電極、  １１・・・透明電極、  １３・・・還元電極、  １５・・・ｐ電極、  １５ａ・・・パッド部（第１の部分）、  １５ｂ・・・コンタクト部（第２の部分）、  １７・・・電流ブロック領域、  ２１・・・支持基板、  ２３・・・接合金属、  ３１・・・電流ブロック層、  ３２・・・ｎ型ＧａＡｓ基板、  ３３・・・ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層、  ３７・・・ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層、  １００〜４００・・・半導体発光装置
【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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