(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に設けられるチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体積層部と、前記ｎ形層およびｐ形層にそれぞれ接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とからなり、前記ｎ側電極およびｐ側電極は、それぞれ半導体層側にＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ、Ｚｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-ＺｎおよびＩｎ-Ｚｎ-Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の合金からなる薄膜層と、最表面にＡｕ層とを有し、前記ｎ側電極およびｐ側電極が同じ金属材料で形成されてなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記薄膜層とＡｕ層との間にＴｉ層が設けられてなる請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に、チッ化ガリウム系化合物半導体が積層される青色系（紫外線から黄色）の光を発生する半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、ｎ形層およびｐ形層に設けられる電極のオーミックコンタクトおよび接着強度を向上させながら両者の材料を共通化した半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色系の光を発光する半導体発光素子は、たとえば図３に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮからなる低温バッファ層２２と、高温でＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層２３およびｐ形層２５はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層が用いられることがある。
【０００３】
この構造で、ｐ側電極２８はＴｉおよびＡｕの積層構造で形成され、ｎ側電極２９はＴｉとＡｌがそれぞれ積層されて合金化された金属層により形成されている。ｐ側電極２８は積層された半導体層の表面に設けられるＮｉおよびＡｕの合金からなる拡散メタル層（図示せず）を介して設けられる場合が多い。したがって、ｐ形層のドーパントとの関係でｐ形層と拡散メタルとのオーミックコンタクト特性は好ましくないものの、拡散メタル層とｐ側電極との接触および接着は良好に行われる。一方、ｎ側電極２９はｎ型層２３の表面に直接設けられているが、ＴｉおよびＡｌの合金により充分なオーミックコンタクトが得られると考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、前述のように、オーミックコンタクト特性を考慮して、ｎ側電極とｐ側電極とで異なる材料が使用されている。チッ化ガリウム系化合物半導体を使用した半導体発光素子は、前述の図３に示されるように、サファイアなどからなる絶縁基板上に半導体層が積層されるため、ｎ側およびｐ側の両電極とも基板の同一面側に設けられることが多い。しかし、ｎ側電極とｐ側電極の材料が異なるため、両電極はそれぞれ別々に形成されている。そのため、電極を形成する工数が２倍かかり、コストアップの原因となっている。
【０００５】
また、ｎ側電極はｎ形層とのオーミックコンタクト特性を向上させる観点からＴｉおよびＡｌの合金が用いられているが、表面側に設けられるＡｌの表面は腐食しやすく金線によるワイヤボンディングの接着強度が弱いという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、チッ化ガリウム系化合物半導体の積層体を有する半導体発光素子において、オーミックコンタクト特性およびワイヤボンディングの接着強度を向上させながら、ｎ側電極とｐ側電極との材料を共通化することにより、両電極を同時に形成して安価に製造することができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられるチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層を含む半導体積層部と、前記ｎ形層およびｐ形層にそれぞれ接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とからなり、前記ｎ側電極およびｐ側電極は、それぞれ半導体層側にＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ、Ｚｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-ＺｎおよびＩｎ-Ｚｎ-Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の合金からなる薄膜層と、最表面にＡｕ層とを有し、前記ｎ側電極およびｐ側電極が同じ金属材料で形成されている。
【０００８】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【０００９】
半導体層と接する面に前記薄膜層が存在することにより、良好なオーミックコンタクトが得られ、表面にはＡｕ層が存在することにより、良好なワイヤボンディング強度が得られる。前記薄膜層とＡｕ層との間にＴｉ層が設けられることにより、Ａｕ層の表面までは合金化され難いため、ワイヤボンディングの信頼性が向上して好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、チッ化ガリウム系化合物半導体層がサファイア基板上に積層される本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図が示されている。
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、図１に示されるように、たとえばサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる基板１の表面に発光領域を形成するための半導体層２〜５が積層されて半導体積層部を形成し、その表面に拡散メタル層７を介してｐ側電極（上部電極）８が形成されている。また、積層された半導体層３〜５の一部が除去されて露出したｎ形層３にｎ側電極（下部電極）９が形成されている。この例では、ｐ側電極８およびｎ側電極９が、共にＮｉまたはＺｎを含有する金属薄膜８ａ、９ａとＴｉ層８ｂ、９ｂとＡｕ層８ｃ、９ｃとの積層構造からなっており、このように両電極８、９が同じ材料で同じ厚さに形成されていることに本発明の特徴がある。拡散メタル層７は、たとえばＮｉとＡｕとの合金からなっている。
【００１２】
基板１上に積層される半導体層は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.０１〜０.２μｍ程度堆積され、ついでクラッド層となるｎ形層３が１〜５μｍ程度堆積され、さらに、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４が０.００５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層（クラッド層）５が０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより構成されている。
【００１３】
なお、ｐ形層５はＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａとＧａＮ層５ｂとの複層になっているが、キャリアの閉じ込め効果の点からＡｌを含む層が設けられることが好ましいためで、ＧａＮ層だけでもよい。また、ｎ形層３にもＡｌＧａＮ系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもできる。さらに、この例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。
【００１４】
本発明の半導体発光素子では、前述のように、ｐ側電極８とｎ側電極９とが同じ厚さの同じ材料からなっている。すなわち、両電極８、９共に図２（ａ）に示されるように、ＮｉおよびＡｕの合金層からなる金属薄膜８ａ、９ａ（図では単にａで示す）が、たとえばＮｉおよびＡｕをそれぞれ５ｎｍづつ成膜してシンターすることにより、半導体層にも一部が浸透し、全体で２〜７ｎｍ程度の厚さに形成されている。その上にＴｉ層８ｂ、９ｂ（図では単にｂで示す）が０.１μｍ程度、およびＡｕ層８ｃ、９ｃ（図では単にｃで示す）が０.３μｍ程度それぞれ積層され、電極形状にパターニングされることにより形成されている。
【００１５】
つぎに、本発明の半導体発光素子のｐ側電極８およびｎ側電極９が同じ材料で形成されていても、オーミックコンタクト特性が良好で、かつ、ワイヤボンディングの接着力が十分な強さになる理由について説明をする。
【００１６】
ｐ側電極８は拡散メタル層７上に設けられるため、ｐ形層５と拡散メタル層７とのオーミックコンタクトはともかく、ｐ側電極８と拡散メタル層７との間は比較的良好な接続が得られる。一方、ｎ側電極９は、ｎ形層３に直接設けられ、Ｓｉドープのチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層３とのオーミックコンタクトはＴｉとＡｌとの積層膜が最適と考えられていた。しかし、電極の最表層には、金線などがワイヤボンディングされ、Ａｌの酸化膜が形成されると、ワイヤボンディングの接着強度が低下する。さらに、せっかくｐ側電極８とｎ側電極９とが同じ方向に設けられていても、その材料が異なることから電極を別々に形成しなければならない。
【００１７】
そこで本発明者らがオーミックコンタクト特性の向上およびワイヤボンディングの接着力を向上させるため、鋭意検討を重ねた結果、Ａｕ／Ｎｉ合金などのＮｉまたはＺｎを含み、Ｓｉがドープされたチッ化ガリウム系化合物半導体と共に合金化した薄膜で、２〜７ｎｍ程度に薄く形成されることにより、その表面に設けられる金属の材料にかかわらず、比較的良好なオーミックコンタクト特性が得られることを見出したものである。すなわち、従来のｎ形層３に直接前述のＴｉおよびＡｌの合金層で設けられる場合と本発明のように、金属薄膜９ａを介して前述のＴｉ層９ｂおよびＡｕ層９ｃの積層構造で設けられる場合とで、直列抵抗を比較した結果、両者の差は殆どなく、むしろ金属薄膜９ａを介在させる方が直列抵抗が小さくなることを見出した。これは、金属薄膜がオーミックコンタクトメタルの役割を果たし、電気的導通を向上するためと考えられる。
【００１８】
その結果、ｐ側電極とｎ側電極とを同条件で同時に形成することができると共に、その最表面をＡｕ層とすることができ、ワイヤボンディングの接着力を充分に強くすることができる。すなわち、ワイヤボンディングのワイヤには金線が用いられ、Ａｕ同士の接着であるため、確実にボンディングされ、従来ボンディング剥れによる不良率が２０％程度あったものが、０％になった。
【００１９】
このように、金属薄膜８ａ、９ａはオーミックコンタクトを達成するものであるため、チッ化ガリウム系化合物半導体と共に合金化された薄い金属薄膜が介在されておればよい。したがって、半導体層の表面に盛り上がるほど設けられていなくても、半導体層中に合金化された分だけで、その表面に突出する部分を王水などにより除去してもよい。この観点から、前述のＮｉとＡｕの合金でなくても、図２（ｂ）〜（ｇ）に示されるように、Ｎｉ、Ａｕ-Ｇｅ-Ｎｉ、Ｚｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-Ｚｎ、Ｉｎ-Ｚｎ-Ｎｉ、などのチッ化ガリウム系化合物半導体と合金化しやすい他の金属または合金の薄膜でもよい。
【００２０】
さらに、前述のように、金属薄膜８ａ、９ａが合金薄膜からなっておれば、その表面にＴｉ層が設けられていなくても、さらなる合金化は進みにくい。したがって、Ｔｉ層がなくて直接Ａｕ層が設けられても表面にＡｕ層が残り、オーミックコンタクト特性およびワイヤボンディングの接着力共に良好な電極となる。この場合、Ａｕ層は熱処理の際に多少金属薄膜の金属と合金化されるため、１μｍ程度以上の厚さに設けられることが好ましい。
【００２１】
また、前述の各例は、主として合金化される金属薄膜を介在させることにより、オーミックコンタクトを得ると共に、その表面に設けられるＡｕ層との合金化を防いで、最表面にＡｕ層が設けられる構造としたが、金属薄膜でなくてＴｉを設けて半導体層と合金化させることにより、その上にＡｌがなくても充分にオーミックコンタクトが得られることを見出した。その結果、その表面に直接Ａｕ層を設けても同様に良好なオーミックコンタクト特性およびワイヤボンディングの接着力が得られた。
【００２２】
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について説明をする。
【００２３】
有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ2 と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3 ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ4 などを供給して、まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮからなる低温バッファ層２を０.０１〜０.２μｍ程度、６００〜１２００℃程度の高温にして同じ組成でｎ形のｎ形層（クラッド層）３を１〜５μｍ程度成膜する。さらにドーパントガスを止めて、反応ガスとしてトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）を追加し、ＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４を０.００５〜０.３μｍ程度成膜する。
【００２４】
ついで、反応ガスのＴＭＩｎをトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）に変更し、ドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を導入して、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａを０.１〜０.５μｍ程度、さらに再度反応ガスのＴＭＡを止めてｐ形のＧａＮ層５ｂを０.１〜０.５μｍ程度それぞれ積層し、ｐ形層５を形成する。
【００２５】
その後、表面にＳｉＮなどの保護膜を設けてｐ形ドーパントの活性化のため、４００〜８００℃程度で１０〜６０分程度のアニールを行い、たとえばＮｉおよびＡｕを蒸着してシンターすることにより拡散メタル層７を２〜１００ｎｍ程度形成する。ついで、下部電極を形成するためｎ形層３が露出するように、積層された半導体層の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングをする。
【００２６】
つぎに、ｐ側電極およびｎ側電極の形成場所のみが露出するように、たとえばレジストを塗布してパターニングをし、ＮｉおよびＡｕをそれぞれ５ｎｍ程度づつ真空蒸着により付着し、３００〜５００℃程度で５〜１５分程度の熱処理を行いシンターする。その結果、ＮｉとＡｕは合金化し、その一部は半導体層に侵入してその表面には２〜７ｎｍ程度の厚さで、両電極の形成部分のみに金属薄膜８ａ、９ａが形成される。その後、さらに同様にレジスト膜を設けて電極形成部分のみが露出するようにパターニングをし、Ｔｉ層８ｂ、９ｂおよびＡｕ層８ｃ、９ｃをそれぞれ０.１μｍ程度と０.３μｍ程度づつ真空蒸着などにより成膜する（リフトオフ法）。そして、３００〜５００℃程度で５〜１５分程度シンターすることにより、上部電極８および下部電極９を形成する。その結果、図１に示される半導体発光素子が得られる。
【００２７】
Ａｕ-Ｎｉ合金以外の合金薄膜を形成する場合、同様に各金属の薄膜を積層してシンターすることにより、それらの金属の合金薄膜が形成される。たとえばＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ薄膜を形成する場合には、Ｎｉ層を５ｎｍ程度、Ｇｅ層を５ｎｍ程度、Ａｕ層を５ｎｍ程度それぞれ真空蒸着により積層し、２００〜５００℃程度で５〜４０分程度の熱処理をすることにより形成される。他のＺｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-Ｎｉ、Ｉｎ-Ｚｎ、Ｉｎ-Ｚｎ-Ｎｉについても同様である。
【００２８】
以上のように、本発明によれば、ｐ側電極とｎ側電極とが同じ材料で、同じ厚さに形成されているため、同じ工程で同時に形成される。そのため、工程数が減少し、工数も減ってコストダウンに大きく寄与する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、オーミックコンタクト特性を維持しながらワイヤボンディングの接着力が向上し、信頼性が大幅に向上する。しかも、ｐ側電極とｎ側電極とが同じ材料であるため、両電極を同時に形成することができ、工数を削減することができる。その結果、信頼性が高く、安価な半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１のｐ側電極およびｎ側電極の構成例を示す図である。
【図３】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｎ形層
４    活性層
５    ｐ形層
８    ｐ側電極
８ａ  金属薄膜
８ｂ  Ｔｉ層
８ｃ  Ａｕ層
９    ｎ側電極
９ａ  金属薄膜
９ｂ  Ｔｉ層
９ｃ  Ａｕ層
【図１】
0003737226.tif 000002
【図２】
0003737226.tif 000003
【図３】
0003737226.tif 000004