(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化化合物半導体からなるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上に形成されるｎ型電極と、
前記ｎ型半導体層の上に、前記ｎ型電極と分離して形成されるｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の上に形成されるｐ型電極と、を備え、
前記ｎ型電極は、
前記ｎ型半導体層の上に形成されるパラジウム（Ｐｄ）からなる第１の金属層と、
前記第１の金属層の上に形成される金（Ａｕ）からなる第２の金属層と、を有し、
前記ｐ型電極は、
前記ｐ型半導体層の上に形成されるマグネシウム（Ｍｇ）からなる第３の金属層と、
前記第３の金属層の上に形成されるパラジウム（Ｐｄ）からなる第４の金属層と、
前記第４の金属層の上に形成されるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる第５の金属層と、を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およ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などの窒化ガリウム系化合物半導体層が積層された発光素子において、付着強度が高く、接触抵抗も低い電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法ならびに発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１，Ｏ≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）であらわされる窒化ガリウム系化合物半導体が紫外光領域から青色あるいは緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として注目されている。このような材料の化合物半導体を使うことによって、これまで困難であった発光強度の高い紫外光、青色、緑色等の発光が可能となった。このような窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア基板上に成長されるため、ＧａＡｓ系の発光素子のように基板の裏面に電極を設けることができない。このため結晶成長した半導体層側にアノード電極とカソード電極の両方を形成することが必要である。
【０００３】
特に、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体素子の場合は、サファイア基板が発光波長に対して透光性を有するため、電極面を下側にしてマウントし、サファイア基板側から光を取り出す構造が一般的である。
【０００４】
図７は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造例を表す概略図である。すなわち、発光素子は、サファイア基板１にＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３とｐ型ＧａＮ層４が結晶成長されて、ｐ型ＧａＮ層４の一部がエッチング除去されてｎ型ＧａＮ層３が露出されており、ｐ型ＧａＮ層４上にｐ側電極１５、ｎ型ＧａＮ層上にｎ側電極１４が形成されている。このような発光素子は、リードフレーム１７上に電極形成面を下側にして銀ペースト等の導電性接着材料１６でマウントされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示したような従来の半導体発光素子では、ｐ型ＧａＮ層４からｎ型ＧａＮ層２に電流が注入されて生じた発光が、ｐ側電極１５で反射されてサファイア基板１を通して外部に取り出される。しかし、このような従来の構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、導電性接着材料１６がリードフレーム１７、１７の間（図７の符号Ａ）や、ｐｎ接合の間（図７の符号Ｂ）にまで広がり易く、電極間あるいは接合間でショートが生じやすい。その結果として、素子のマウントの際の歩留まりが著しく低下するばかりでなく、長期信頼性も劣化しやすいという問題があった。
【０００６】
さらに、リードフレームと素子のマウント位置精度が高精度であることが必要とされるため量産性に欠けるという問題もある。これらの問題を避けるためには素子サイズを大きくしてリードフレーム１７、１７の間隔を広くすれば良いが、ウエハからとれるチップ数が減少しコストが高くなるという問題が生ずる。
【０００７】
一方、発光素子の順方向電圧を低下させるためには、電極と窒化ガリウム半導体層とがオーミック接触をしている必要がある。従来は、ｎ側電極としては、アルミニウム（Ａｌ）を含む電極、ｐ側電極にはニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）を含む電極が用いられていた。ところが、これらの材料を用いた電極では必ずしも好ましいオーミック接触は得られていないばかりか、ＡｌやＮｉはＧａＮ層に侵入して信頼性の低下も招いていた。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、電極の半導体層への密着性向上、オーミック特性の改善、薄膜金属と透明電極の組み含わせによる外部量子効率の改善を実現することができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の一態様によれば、窒化化合物半導体からなるｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上に形成されるｎ型電極と、
前記ｎ型半導体層の上に、前記ｎ型電極と分離して形成されるｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の上に形成されるｐ型電極と、を備え、
前記ｎ型電極は、
前記ｎ型半導体層の上に形成されるパラジウム（Ｐｄ）からなる第１の金属層と、
前記第１の金属層の上に形成される金（Ａｕ）からなる第２の金属層と、を有し、
前記ｐ型電極は、
前記ｐ型半導体層の上に形成されるマグネシウム（Ｍｇ）からなる第３の金属層と、
前記第３の金属層の上に形成されるパラジウム（Ｐｄ）からなる第４の金属層と、
前記第４の金属層の上に形成されるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる第５の金属層と、を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が提供される。
【００２１】
本発明によれば、電極の密着性向上、オーミック特性の改善、薄膜金属と透明電極との組み合わせによる外部量子効率の改善がはかられた。また、電極面を下にしてマウントしサファイア基板側から光を取り出す構成ではないので、従来の問題点であった、電極間あるいは接合間でのショート、マウントの際の歩留まりの著しい低下、長期信頼性の劣化等々の問題点が解決される。さらに、カップ型のリードフレームを使うことができるため、効率良く光を取り出すことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を例示する概略断面図である。すなわち、本発明の発光素子は、サファイア基板１上に積層された窒化ガリウム系半導体層２〜４からなる積層構造を有する。また、素子のｐ側には、３層の金属層７〜９からなるｐ側電極と透明電極１０とが積層され、電極パッド１２に接続されている。また、ｎ側においては、金属層５、６からなるｎ側電極が設けられている。
【００２３】
ここで、ｐ側電極を形成する３層の金属層７〜９のそれぞれの材料としては、以下に挙げるいずれかが用いられる。
すなわち、第１の金属層７は、電極とコンタクト層４との付着強度を維持し、オーミック接触を確保する役割を有する。その材料としては、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）のうちのいずれかが用いられる。また、その層厚としては、５ｎｍ以下であることが望ましい。これよりも厚いと、接触抵抗が上昇し、電極の付着強度が低下する傾向がみられたからである。
また、第２の金属層８も、電極とコンタクト層４との付着強度を維持し、オーミック接触を確保する役割を有する。その材料としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）のうちのいずれかが用いられる。また、その層厚としては、５ｎｍ以下であることが望ましい。これよりも厚いと、接触抵抗が上昇し、電極の付着強度が低下する傾向がみられたからである。
また、第３の金属層９は、コンタクト層４とのオーミック接触を改善する役割を有する。その材料としては、パラジウム（Ｐｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジュウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）のうちのいずれかが用いられる。また、その層厚としては、１０ｎｍ以下であることが望ましい。これよりも厚いと、電極の付着強度が低下する傾向がみられたからである。
さらに、これらの薄膜金属層の上に透明電極層１０を積層することにより、電極のシート抵抗を大幅に低減することができる。
【００２４】
ここでは、ｐ側電極の第１の金属層７としてチタン（Ｔｉ）、第２の金属層としてマグネシウム（Ｍｇ）をそれぞれ用いた場合を例示する。
【００２５】
一方、ｎ側電極の第１の金属層５は、オーミック接触を確保する役割を有する。その材料としては、パラジウム（Ｐｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）のうちのいずれかが用いられる。ここでは、第１の金属層５の材料としてパラジウム（Ｐｄ）を用いた場合について説明する。
【００２６】
また、ｎ側電極の第２の金属層６の材料としては、金（Ａｕ）が用いられる。本実施形態にかかる半導体発光素子の製造工程について概説すれば以下の如くである。
まず、サファイア基板１の上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、ｐ型ＧａＮ層４を順次結晶成長させる。次に、ｐ型ＧａＮ層４をＰＥＰ法によりパターニングし、ＲＩＥ(reactive ion etching)法等によりエッチングしてｎ型ＧａＮ層３の一部を露出させる。
【００２７】
次に、ＰＥＰ法を用いてパターニングし、ｎ側電極としてｎ型ＧａＮ層３の上にパラジウム（Ｐｄ）膜５、金（Ａｕ）膜６等を蒸着し、リフトオフによりパターニング形成する。
【００２８】
次に、ＰＥＰ法によりパターニング後、ｐ型ＧａＮ層４の上に真空蒸着法により、厚さ１ｎｍのチタン（Ｔｉ）層７、厚さ１ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）層８、厚さ１０ｎｍのＰｄ電極９を順次形成し、さらに、ＲＦスパッタ法により酸化インジウム錫（indium tin oxide：ｌＴ０）膜１０を形成後、リフトオフ法によってパターンを形成する。
【００２９】
次に、ｐ側薄膜電極と半導体層間の密着性、オーミック性を向上のため、またｎ側電極のオーミック性向上のため４５０℃、２０秒程度のフラッシュアニールを行う。但し、半導体層表面に酸化物等がなく十分に清浄な状態であれば、このフラッシュアニール工程は不要となる場合も有り得る。
【００３０】
次に、熱ＣＶＤ法によりＳｉ０２膜１１を形成後、ＰＥＰ法を用いてパターニングしてｐ側ボンディングパッド１２下にパターンを形成する。更に、ＰＥＰ法を用いてパターニング後、リフトオフ法によりｐ側透明電極（ＩＴＯ）１０からＳｉ０２膜１１上にかけてＴｉ／Ａｕ等の金属膜でボンディングパッド１２を形成することにより発光素子が完成する。
【００３１】
図２は、このようにして得られた本発明の発光素子のｎ側電極部分の電流・電圧特性を表すグラフ図である。同図においては、本発明によるパラジウム／金の積層構造の電極を形成した場合と、従来例としてチタン／金の積層構造を形成した場合とを比較して示した。図２から、ｎ側電極として、パラジウムを採用した本発明の素子においては、良好なオーミック性を示し、その接触抵抗も従来の約１／４に低減したことが分かった。
【００３２】
また、図３は、本発明の発光素子のｐ側電極部分の電流・電圧特性を表すグラフ図である。同図においては、本発明によるマグネシウム／パラジウム／ＩＴＯの積層構造の電極を形成した場合と、従来例としてニッケル／金の積層構造を形成した場合とを比較して示した。図３から、本発明の素子は、良好なオーミック性を示し、その接触抵抗も従来の約半分に低減していることが分かった。
【００３３】
また、ｎ側電極とｐ側電極のそれぞれに対して、金（Ａｕ）ワイアをボンディングした結果、電極の剥がれなどは見られず、電極の付着強度も十分に高いことが分かった。
【００３４】
本発明の発光素子においては、２０ｍＡの電流に対する順方向電圧は３．４Ｖであり、光出力は９１μＷという良好な特性が得られた。さらに、ウェーハ面内でのＩ−Ｖ特性や光出力のばらつきも非常に少なく、素子歩留りは良好であった。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３６】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を例示する概略断面図である。すなわち、本実施形態の発光素子も、サファイア基板１上に積層された窒化ガリウム系半導体層２〜４からなる積層構造を有する。また、素子のｐ側には、ｐ側電極と透明電極１０とが積層され、電極パッド１２に接続されている。また、ｎ側においては、金属層５、６からなるｎ側電極が設けられている。前述した第１実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３７】
ここで、本実施形態においては、ｐ側電極の形成に際して、前述した第１実施形態の第１の金属層７と第２の金属層８とをそれぞれごく薄い膜厚で堆積する。ここでは、一例として、第１の金属層としてチタン（Ｔｉ）、第２の金属層としてマグネシウム（Ｍｇ）をそれぞれ用いた場合について例示する。
【００３８】
すなわち、本実施形態においては、ｐ側電極として、厚さ０．２ｍのチタン（Ｔｉ）層７’と、厚さ０．２ｍのマグネシウム（Ｍｇ）層８’と、厚さ５ｍのパラジウム（Ｐｄ）層９’とを積層する。このように、チタンやマグネシウムを極めて薄い膜厚で堆積した場合には、必ずしも連続的な薄膜とはならず、図４において一部拡大図として示したように、コンタクト層４の上に島状に形成される場合が多い。つまり、第１の金属層７’と第２の金属層９’とは、それぞれ島状に形成される。また、これらの金属層の堆積後に、アニールを施しても良く、また、半導体層と電極金属との間が十分に清浄な状態であれば、特にアニールはしなくても良い。ここで、アニールによって電極金属は合金化してもかまわないが半導体層と電極金属とが過剰に反応すると望ましくないため、アニール温度としては、５００℃以下とすることが望ましい。
【００３９】
このように、ｐ側電極の形成に際して、第１の金属層と第２の金属層とを極めて薄く堆積した場合においても、付着強度は良好であり、且つ良好なオーミック性と低い接触抵抗とを実現することができる。これは、第１及び第２の金属層が有する付着強度の改善の作用と、第３の金属層が有するオーミック性の確保の作用とが維持された結果であると考えられる。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００４１】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を例示する概略断面図である。すなわち、本実施形態の発光素子も、サファイア基板１上に積層された窒化ガリウム系半導体層２〜４からなる積層構造を有する。前述した第１実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４２】
本実施形態においては、素子のｐ側においては、第１の金属層８と第２の金属層９と透明電極１０とが形成されている。第１の金属層８の材料としては、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）のうちのいずれかが用いられる。
【００４３】
また、第２の金属層９の材料としては、パラジウム（Ｐｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジュウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）のうちのいずれかが用いられる。
【００４４】
ここでは、ｐ側電極の第１の金属層８としてマグネシウム（Ｍｇ）、第２の金属層９としてパラジウム（Ｐｄ）層９、透明電極１０としてＩＴＯをそれぞれ用いた場合を例示する。
【００４５】
一方、素子のｎ側においては、第１の金属層１３と第２の金属層５と第３の金属層６からなる３層構造の電極が形成されている。
【００４６】
ｎ側電極の第１の金属層１３は、コンタクト層３との付着強度を確保する役割を有する。その材料としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）のうちのいずれかが用いられる。また、その層厚としては、５ｎｍ以下であることが望ましい。これよりも厚いと、接触抵抗が上昇し、電極の付着強度が低下する傾向がみられたからである。
【００４７】
また、ｎ側電極の第２の金属層５は、オーミック接触を確保する役割を有する。その材料としては、パラジウム（Ｐｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）のうちのいずれかが用いられる。
【００４８】
また、ｎ側電極の第３の金属層６としては、金（Ａｕ）が用いられる。
【００４９】
ここでは、ｎ側電極の第１の金属層１３としてチタン（Ｔｉ）、第２の金属層５としてパラジウム（Ｐｄ）を用いた場合を例示する。
【００５０】
このようにｐ側においてコンタクト層４にマグネシウム層８とパラジウム層９とを形成し、ｎ側において、コンタクト層３にチタン層１３とパラジウム層５とを形成した場合においても、ｐ側とｎ側ともに良好なオーミック性と低い接触抵抗とを実現することができる。
【００５１】
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。例えば、前述した具体例においては、電極材料としてマグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）を用い、また、透明電極としてＩＴＯ、半導体層としてＧａＮをそれぞれ用いる場合を例示して説明したが、これらに限るものではない。すなわち、本発明によれば、ｐ側とｎ側とにおいて、それぞれ、第１の金属層と第２の金属層とについて前述したいずれかの金属または、それらの合金を用いて同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、それぞれの電極は、前述した２層または３層の積層構造に限定されず前述したいずれかの金属層からなる４層以上の積層構造であっても良い。
【００５３】
また、透明電極として用いることができるものは、前述のＩＴＯ以外にも、例えば、錫酸化物を用いても良く、または、金（Ａｕ）などの金属をごく薄く堆積したものを用いても良い。
【００５４】
さらに、発光素子の構造としては、前述したもの以外にも、電極とのコンタクト部に窒化ガリウム系化合物半導体を用いたものであれば良く、各種の構造の発光ダイオードや半導体レーザなどについて同様に適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
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。
【００５６】
まず、本発明によれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１、Ｏ≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる半導体に接触してチタン（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）等を含む、薄膜パラジウム（Ｐｄ）電極を形成することにより、ｐ側電極、ｎ側電極ともにオーミック特性を改善できる。
【００５７】
ここで、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に対しては、この層に接触した５ｎｍ以下の薄いチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）層等の薄膜金属層を設けることにより、電極と半導体層との密着性を向上させることができる。
【００５８】
さらに、５ｎｍ以下の薄いマグネシウム（Ｍｇ）層、１０ｎｍ以下の薄膜パラジウム（Ｐｄ）層、薄膜白金（Ｐｔ）層等の薄膜金属層を積層させることにより、良好なオーミック接触を得ることができる。
【００５９】
さらに、ＩＴＯ等の透明電極を積層させることにより薄膜電極のシート抵抗の低減をはかるとともに発光面内への均一な電流注入を実現することができる。
【００６０】
一方、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層に対しては、この層に接触して、５ｎｍ以下の薄いチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）層等により密着性を向上させ、さらにパラジウム（Ｐｄ）等の金属層により良好なオーミック特性を実現して、さらに金（Ａｕ）層を積層することにより、電極のシート抵抗を大幅に低減すると共に、ワイアボンディングを容易に実施することができるようになる。
【００６１】
また、このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を５００℃以下の温度でアニールすることにより、電極金属と半導体層との過剰な反応を抑制しつつ電極の付着強度を改善し、コンタクト抵抗を低減することができる。
【００６２】
さらに、本発明によれば、標準的なカップ型のリードフレームにマウントして、効率良く光を取り出すことができる。
図６は、本発明の半導体発光素子をリードフレームにマウントした状態を表す概略図である。すなわち、本発明の半導体発光素子が、カップ型のリードフレーム３０にマウントされ、ワイア３２、３２により接続されている。なお、同図においては、半導体発光素子の電極部の詳細な構造は、省略して表した。
本発明によれば、同図に表したように、広く用いられているカップ型のリードフレームを用いることができ、低いコストで、高い発光輝度の発光装置を容易に実現することができるようになる。
【００６３】
以上説明したように本発明によれば、電極の半導体層への密着性向上、オーミック特性の改善、薄膜金属と透明電極の組み含わせによる外部量子効率の改善が実現され、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を例示する概略断面図である。
【図２】本発明の発光素子のｎ側電極部分の電流・電圧特性を表すグラフ図である。
【図３】本発明の発光素子のｐ側電極部分の電流・電圧特性を表すグラフ図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を例示する概略断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を例示する概略断面図である。
【図６】本発明の半導体発光素子をリードフレームにマウントした状態を表す概略図である。
【図７】従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造例を表す概略図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  ＧａＮバッファ層
３  ｎ型ＧａＮ層
４  ｐ型ＧａＮ層
５  第１の金属層
６  金（Ａｕ）層
７  第１の金属層
８  第２の金属層
９  第３の金属層
１０  透明電極
１１  絶縁膜
１２  ボンディング用Ｔｉ／Ａｕ層
１３  第１の金属層
１４  ｎ側電極
１５  ｐ側電極
１６  導電性接着材料
１７  リードフレーム
３０  カップ型リードフレーム
３２  ワイア
Ａ  リードフレーム間
Ｂ  ｐｎ接合間
【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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