НИТРИДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
NITRIDE SEMICONDUCTOR ELEMENT AND METHOD OF MAKING SAME

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к нитридному полупроводниковому элементу и к способу его изготовления, в частности относится к нитридному полупроводниковому элементу с центральной длиной волны излучения света около 365 нм или меньше, используемому в светодиоде или лазерном диоде, и способу его изготовления, а более конкретно относится к структуре n-электрода и p-электрода, используемых в этом элементе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1-x-y
x
y
[0002] Как правило, нитридный полупроводниковый светоизлучающий элемент, такой как светодиод (LED) или полупроводниковый лазер, имеет структуру светоизлучающего элемента, в которой множество нитридных полупроводниковых слоев эпитаксиально выращивают на сапфировой подложке во многих случаях. Нитридный полупроводниковый слой выражают общей формулой AlGaInN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1).
[0003] Структура светоизлучающего элемента является двойной гетероструктурой, в которой активный слой из нитридного полупроводникового слоя, обладающий структурой с одной квантовой ямой (SQW) или структурой с множеством квантовых ям (MQW), расположен между нитридным полупроводниковым слоем n-типа и нитридным полупроводниковым слоем p-типа. В случае, когда активный слой является полупроводниковым слоем AlGaN, для него мольную долю AlN (или коэффициент композиции Al) регулируют так, что энергию (ширину) запрещенной зоны можно регулировать, чтобы быть в диапазоне от нижнего предела до верхнего предела энергий запрещенной зоны GaN и AlN (примерно 3,4 эВ и примерно 6,3 эВ), и можно получить ультрафиолетовый светоизлучающий элемент с длиной волны излучения от примерно 200 нм до примерно 365 нм. В связи с этим, если прямой ток течет от нитридного полупроводникового слоя p-типа к нитридному полупроводниковому слою n-типа, то свет излучается в активный слой согласно приведенной выше энергии запрещенной зоны.
[0004] Для подачи внешнего прямого тока p-электрод предусмотрен на нитридном полупроводниковом слое p-типа, а n-электрод предусмотрен на нитридном полупроводниковом слое n-типа. Фиг. 10 схематично показывает структуру элемента обычного светодиода. Светодиод, показанный на Фиг. 10, конфигурируют так, что нитридный полупроводниковый слой 101 n-типа, активный слой 102 и нитридный полупроводниковый слой 103 p-типа осаждают последовательно на пластину 100, сформированную осаждением нитридного полупроводникового слоя на сапфировую подложку, причем нитридный полупроводниковый слой 103 p-типа и активный слой 102 частично вытравливают, пока не вскроется нитридный полупроводниковый слой 101 n-типа, n-электрод 104 формируют на вскрытой поверхности нитридного полупроводникового слоя 101 n-типа, а p-электрод 105 формируют на поверхности нитридного полупроводникового слоя 103 p-типа.
[0005] В случае, если активным слоем является полупроводниковый слой AlGaN, каждый из нитридного полупроводникового слоя n-типа и нитридного полупроводникового слоя p-типа, которые формируют сэндвич-структуру с активным слоем, является полупроводниковым слоем AlGaN с мольной долей AlN, большей, чем у активного слоя. Следовательно, как правило, каждый из n-электрода и p-электрода конфигурируют для получения наслоенной структуры из двух или более слоев, в которых нижняя сторона слоя предоставлена с металлическим слоем, способным образовывать омический контакт с полупроводниковым слоем AlGaN n-типа или полупроводниковым слоем AlGaN p-типа, и верхняя сторона слоя предоставлена со слоем Au, так, что можно выполнить проводное соединение с помощью проволоки Au или т.п. В виде примера n-электрод имеет четырехслойную структуру Ti/Al/Ti/Au, образованную с нижней стороны слоя, а p-электрод имеет двухслойную структуру Ni/Au, образованную с нижней стороны слоя. Здесь для случая, когда свет, излучаемый из активного слоя, выводится со стороны задней поверхности, если в n-электроде содержится Al, свет, отраженный от интерфейса на задней поверхности в направлении активного слоя, снова отражается n-электродом в направлении задней поверхности, так что внешняя квантовая эффективность светоизлучающего элемента может быть улучшена.
[0006] В обычном случае каждый из n-электрода и p-электрода подвергают термической обработке, например отжигу или спеканию после осаждения и формирования рисунка, чтобы образовать предпочтительно омический контакт между металлическим слоем на нижней стороне слоя и полупроводниковым слоем AlGaN n-типа или p-типа. Однако в результате термической обработки металлический слой на нижней стороне слоя сплавляется с Au на верхней стороне слоя, и обнажается сплавной металл, другой, чем Au, на поверхности каждого электрода и ухудшает состояние поверхности, так что в некоторых случаях невозможно выполнить проводное соединение, а ухудшение становится ощутимым, особенно в случае высокой температуры термической обработки.
[0007] Таким образом, контрмеру против такого ухудшения каждой электродной поверхности в результате термообработки условно берут такой, что слой Au образуют повторно на каждой электродной поверхности посредством осаждения и формирования рисунка соединительного слоя из Ni и слоя Au. Однако такая контрмера имеет проблему в том, что повышается стоимость изготовления, поскольку увеличивается количество этапов образования пленки. Согласно патентному документу 1, приведенному ниже, металлический барьерный слой, состоящий из металла, обладающего температурой плавления выше, чем температура плавления Al, предусматривают на поверхности слоя Al с нижней стороны слоя, чтобы изолировать слой Au и слой Al с помощью металлического барьерного слоя, для предотвращения образования сплава Au с верхней стороны слоя с Al и Ti с нижней стороны слоя.
[0008] ДОКУМЕНТ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ
Патентный документ 1: JP 2005-354040 A
РАСКЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, КОТОРЫЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ РЕШЕНЫ С ПОМОЩЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В случае ультрафиолетового светоизлучающего элемента с длиной волны излучения 365 нм или меньше энергия запрещенной зоны активного слоя равна или больше, чем энергия GaN, так что энергия запрещенной зоны каждого из полупроводниковых слоев AlGaN, которые служат в качестве нитридного полупроводникового слоя n-типа и нитридного полупроводникового слоя p-типа, которые образуют сэндвич-структуру с активным слоем, устанавливают большей, чем энергия запрещенной зоны активного слоя. Следовательно, мольная доля AlN каждого из полупроводниковых слоев AlGaN, которые служат в качестве нитридного полупроводникового слоя n-типа и нитридного полупроводникового слоя p-типа, которые образуют сэндвич-структуру с активным слоем, должна составлять примерно 20% или больше.
c
x
1-x
2
[0010] На Фиг. 1 показан результат, полученный путем измерения соотношений контактного сопротивления ρ (единицы измерения: Ом•см) между n-электродом (Ti/Al/Ti/Au: самым нижним слоем является Ti, а самым верхним слоем является Au), образованным на слое AlGaN n-типа, и слоем AlGaN n-типа и температурой термообработки T (единицы измерения: °C) для четырех случаев, при которых мольные доли x AlN в слое AlGaN n-типа составляют 0%, 25%, 40% и 60%. Каждую точку, показанную на Фиг. 1, получают нанесением на график среднего значения контактного сопротивления множества образцов, имеющих одинаковую мольную долю AlN и подвергнутых термообработке при одинаковой температуре, и кривая, показанная прерывистой линией, представляет тенденцию изменения каждой точки с целью описания. Кроме того, контактное сопротивление было измерено широко известным способом модели линии передач (TLM). Температура термообработки была установлена в диапазоне от 450°C до 1000°C.
c
c
c
c
c
[0011] Из измеренного результата на Фиг. 1 видно, что контактное сопротивление ρ уменьшается и достигает самой низкой величины или зоны подхода к заданной координате в определенном интервале температуры термообработки T для каждой мольной доли x AlN, а интервал становится большим и распределяется в низкотемпературной области, поскольку мольная доля x AlN является низкой, в то время как интервал становится узким и перемещается в область высоких температур, в результате того, что мольная доля x AlN становится высокой. Кроме того, если температура термообработки T поднимается за пределы указанного интервала, контактное сопротивление ρ увеличивается, и, если температура термообработки T падает ниже указанного интервала, то контактное сопротивление ρ также повышается. Кроме того, если температура термообработки T падает слишком низко, омический контакт не образуется. Кроме того, несмотря на то, что это не показано на Фиг. 1, в случае, когда мольная доля x AlN составляет 0,6 или больше, контактное сопротивление ρ изменяется значительно, так что для получения стабильного низкого контактного сопротивления ρ термообработку в этом случае необходимо проводить при более высокой температуре.
[0012] Следовательно, в случае ультрафиолетового светоизлучающего элемента с длиной волны излучения 365 нм или меньше термообработку необходимо выполнять почти при 600°C или больше, чтобы образовать n-электрод на слое AlGaN n-типа с низким контактным сопротивлением. Если длина волны излучения становится короткой, то есть когда мольная доля x AlN увеличивается, необходимо проводить термообработку при более высокой температуре.
[0013] Далее на Фиг. 2А-2H показано соотношение между образованием сплава между самым верхним слоем Au и металлом на нижней стороне слоя на n-электроде с четырехслойной структурой Ti/Al/Ti/Au и температурами термообработки. Фиг. 2А является фотографией поверхности электрода стандартного образца, на котором не выполняли термообработку, а Фиг. 2B-2H являются фотографиями электродных поверхностей образцов, подвергнутых термообработке, чьи температуры термообработки составляют 450°C, 600°C, 650°C, 700°C, 750°C, 800°C и 900°C. Кроме того, толщины пленки слоев n-электрода составляют 10 нм/100 нм/50 нм/100 нм от нижней стороны слоя, время термообработки составляет 120 секунд, и атмосферой в рабочей камере является атмосфера азота. Каждое изображение, показанное на Фиг. 2А-2H, является бинарным и монохромным, полученным с цветной фотографии, и если температура термообработки 600°C или больше, то поверхность ярче, чем поверхность стандартного образца, что означает, что Au образует сплав и Au остается недостаточно на поверхности электрода для выполнения соединения. В результате действительного выполнения проводного соединения для n-электрода, подвергнутого термообработке в том же состоянии, подтверждается, что проводное соединение не может быть выполнено.
[0014] Далее на Фиг. 3А и 3B показаны соотношения между образованием сплава между Au самого верхнего слоя и Ni на нижней стороне слоя p-электрода с двухслойной структурой Ni/Au и температурой термообработки. Фиг. 3А представляет собой фотографию поверхности электрода стандартного образца, на котором не выполняли термообработку, а Фиг. 3B представляет собой фотографию поверхности электрода образца, подвергнутого термообработке, проведенной при 450°C. Кроме того, толщины пленки слоев p-электрода составляют 60 нм/50 нм с нижней стороны слоя, время термообработки составляет 120 секунд, и атмосферой в рабочей камере является воздух. Каждое изображение, показанное на Фиг. 3А и 3B, является бинарным и монохромным, полученным с цветной фотографии, и если температура термообработки составляет 450°C, то поверхность ярче, чем поверхность стандартного образца, что означает, что Au образует сплав, и Au остается недостаточно на поверхности электрода для выполнения соединения. В результате фактического выполнения проводного соединения для p-электрода, подвергнутого термообработке в том же состоянии, подтверждается, что проводное соединение не может быть выполнено.
[0015] Если сравнивать результаты, показанные на Фиг. 2 и 3, с содержимым патентного документа 1, Au образует сплав, так что, несмотря на то, что каждый из n-электрода с четырехслойной структурой и p-электрода с двухслойной структурой под самым верхним слоем Au имеет Ti или Ni с температурой плавления выше, чем температура плавления Al, отсюда следует, что Au недостаточно предохраняется от образования сплава только посредством предоставления барьерного металлического слоя, состоящего из металла с температурой плавления выше, чем у Al, как предложено в патентном документе 1.
[0016] Как описано выше, в случае ультрафиолетового светоизлучающего элемента с длиной волны эмиссии 365 нм или меньше для n-электрода необходима термообработка при 600°C или выше. Указанный выше способ формирования электрода, в котором после того, как n-электрод и p-электрод подвергают термообработке, слой Au на каждом электроде формируют повторно, и термообработку после этого не выполняют, что является самым надежным решением, но в данном способе увеличивается количество этапов формирования электрода, и увеличивается расход Au, так что проблема состоит в том, что возрастают затраты на производство.
[0017] Настоящее изобретение было выполнено с учетом вышеупомянутых проблем, и целью настоящего изобретения является предотвратить образование сплава Au на поверхности n-электрода и на поверхности p-электрода в нитридном полупроводниковом элементе.
СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
[0018] Для решения вышеупомянутой проблемы настоящее изобретение предлагает нитридный полупроводниковый элемент, включающий в себя: основную структурную часть, структурную часть элемента с, по меньшей мере, полупроводниковым слоем AlGaN n-типа и полупроводниковым слоем AlGaN p-типа, образованную на основной структурной части, n-электродную контактную часть, образованную на полупроводниковом слое AlGaN n-типа, n-электродную часть контактной площадки, образованную на n-электродной контактной части, и p-электрод, образованный на полупроводниковом слое AlGaN p-типа, при этом мольная доля AlN в полупроводниковом слое AlGaN n-типа составляет 20% или больше, n-электродная контактная часть включает в себя один или более металлических слоев, и p-электрод и n-электродная часть контактной площадки имеют общую наслоенную структуру из двух или более слоев со слоем Au как самым верхним слоем и слоем, предотвращающим диффузию Au, состоящим из проводящего оксида металла и образованного под самым верхним слоем для предотвращения диффузии Au.
x
1-x
[0019] Кроме того, согласно изобретению полупроводниковым слоем AlGaN является нитридный полупроводник группы III, который основан на трехкомпонентном (или двухкомпонентном) составе, выраженном общей формулой: AlGaN (x является мольной долей AlN, 0≤x≤1), и обладает энергией запрещенной зоны в пределах интервала энергий запрещенной зоны GaN (x=0) и AlN (x=1) (примерно 3,4 эВ и примерно 6,2 эВ), которые служат в качестве нижнего предела и верхнего предела. До тех пор, пока выполняется условие, касающееся вышеупомянутой энергии запрещенной зоны, может быть включено небольшое количество In.
[0020] В соответствии с нитридным полупроводниковым элементом, имеющим вышеупомянутые характеристики, n-электрод включает в себя n-электродную контактную часть и n-электродную часть контактной площадки, а p-электрод имеет наслоенную структуру, общую с n-электродной контактной частью, поэтому n-электрод и p-электрод можно сформировать так, что после того, как осаждена n-электродная контактная часть и сформирован рисунок на полупроводниковом слое AlGaN n-типа и после этого отожжен, осаждают p-электрод и n-электродную часть контактной площадки и формируют рисунок на полупроводниковом слое AlGaN p-типа и n-электродную контактную часть, соответственно, в то же самое время, а затем отжигают. Таким образом, поскольку общая наслоенная структура имеет слой, предотвращающий диффузию Au, можно предотвратить образование сплава Au при термообработке во время формирования p-электрода и n-электродной части контактной площадки. То есть, сравнивая с традиционным способом, в котором p-электрод и n-электрод наносят по отдельности и формируют их рисунок, а затем отжигают, можно предотвратить образование сплава Au без увеличения количества этапов. Кроме того, в отличие от барьерного металлического слоя, используемого в патентном документе 1, поскольку слой, предотвращающий диффузию Au, состоит из оксида металла, в котором металл и кислород связаны, и обеспечивается устойчивое состояние, металл в слое, предотвращающем диффузию Au, едва ли соединяется с Au, и диффузию Au можно предотвратить, так что можно предотвратить образование сплава Au c металлом на нижней стороне слоя, предотвращающего диффузию Au.
[0021] Кроме того, более предпочтительно, чтобы в нитридном полупроводниковом элементе с вышеупомянутыми характеристиками n-электродная контактная часть содержала Al. Если Al диффундирует в полупроводниковый слой AlGaN n-типа, который служит в качестве основного слоя, за счет термообработки, то предпочтительный омический контакт может быть образован между n-электродной контактной частью и полупроводниковым слоем AlGaN n-типа. Помимо этого, в случае, если нитридный полупроводниковый элемент является ультрафиолетовым светоизлучающим элементом, а также является светоизлучающим элементом, использующем флип-чип соединение, с выходом от задней поверхности, свет, отраженный задней поверхностью внутрь элемента, может снова быть отражен n-электродом в направлении задней поверхности, так что внешняя квантовая эффективность светоизлучающего элемента улучшается.
[0022] Кроме того, более предпочтительно, чтобы в нитридном полупроводниковом элементе с вышеупомянутыми характеристиками слоем, предотвращающим диффузию Au, являлся слой ITO (оксида индия-олова).
[0023] Кроме того, более предпочтительно, чтобы в нитридном полупроводниковом элементе с вышеупомянутыми характеристиками n-электродная контактная часть не содержала Au. Тем самым, расход Au, требуемый для формирования n-электрода, может быть уменьшен.
[0024] Кроме того, в нитридном полупроводниковом элементе с упомянутыми выше характеристиками более предпочтительно, чтобы в общей наслоенной структуре, проводящий соединительный слой для соединения слоя Au и слоя, предотвращающего диффузию Au, был расположен между слоем Au как самым верхним слоем и слоем, предотвращающим диффузию Au, а толщина пленки проводящего соединительного слоя была равна или меньше, чем половина толщины пленки слоя Au. Тем самым, в случае, если соединительные свойства между слоем Au и слоем, предотвращающим диффузию Au, не являются предпочтительными, можно предотвратить отслаивание слоя Au. Помимо этого толщина пленки проводящего соединительного слоя равна или меньше, чем половина толщины пленки слоя Au, так что даже если слой Au до некоторой степени образует сплав с проводящим соединительным слоем, то диффузия золота предотвращается в направлении нижнего слоя для слоя, предотвращающего диффузию Au. Следовательно, не происходит эрозии Au, и слой Au на поверхности электрода можно сохранить в состоянии, способном к соединению.
[0025] Структурной частью элемента в нитридном полупроводниковом элементе с упомянутыми выше характеристиками является структурная часть светоизлучающего элемента, включающая в себя активный слой с полупроводниковым слоем AlGaN между полупроводниковым слоем AlGaN n-типа и полупроводниковым слоем AlGaN p-типа.
[0026] Кроме того, для решения упомянутой выше проблемы настоящее изобретение предлагает способ изготовления нитридного полупроводникового элемента с упомянутыми выше характеристиками, причем способ включает в себя этап образования основной структурной части, этап образования структурной части светоизлучающего элемента, этап образования n-электродной контактной части на полупроводниковом слое AlGaN n-типа осаждением и формирования рисунка металлического слоя n-электродной контактной части, а затем выполнения первого процесса отжига, и этап образования n-электродной части контактной площадки на n-электродной контактной части и одновременно p-электрода на полупроводниковом слое AlGaN p-типа осаждением и формирования рисунка многослойной пленки общей наслоенной структуры, и затем выполнения второго процесса отжига.
[0027] В соответствии со способом изготовления упомянутого выше нитридного полупроводникового элемента с упомянутыми выше характеристиками общая наслоенная структура p-электрода и n-электродной части контактной площадки обладает слоем, предотвращающим диффузию Au, для предотвращения диффузии Au, поэтому можно предотвратить диффузию Au и образование сплава во время второго процесса отжига, выполняемого при формировании p-электрода и n-электродной части контактной площадки. Другими словами, по сравнению с традиционным способом, в котором при формировании p-электрод и n-электрод наносят по отдельности, формируют рисунок и отжигают, можно предотвратить образование сплава Au без увеличения количества этапов изготовления.
[0028] Кроме того, p-электрод может быть сформирован одновременно с n-электродной частью контактной площадки в процессе формирования n-электрода, так что по сравнению с традиционным случаем, когда p-электрод и n-электрод формируют по отдельности, можно предотвратить образование сплава Au без увеличения количества этапов изготовления.
[0029] Помимо этого для способа изготовления нитридного полупроводникового элемента с упомянутыми выше характеристиками более предпочтительно, чтобы температура второго процесса отжига была ниже, чем температура первого процесса отжига. При такой схеме предотвращается влияние второго процесса отжига, и первый процесс отжига можно выполнить при оптимальной температуре, согласно мольной доли AlN в полупроводниковом слое AlGaN n-типа, чтобы минимизировать контактное сопротивление между n-электродной контактной частью и полупроводниковым слоем AlGaN n-типа.
[0030] Помимо этого для способа изготовления нитридного полупроводникового элемента с упомянутыми выше характеристиками более предпочтительно, чтобы температура первого процесса отжига составляла 700°C или выше и 1000°C или ниже.
[0031] Помимо этого для способа изготовления нитридного полупроводникового элемента с упомянутыми выше характеристиками более предпочтительно, чтобы температура второго процесса отжига составляла 400°C или выше и 600°C или ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0032] Фиг. 1 является типичным графиком, показывающим измеренный результат соотношения между контактным сопротивлением между n-электродом, образованным на слое AlGaN n-типа, и слоем AlGaN n-типа, температурой термообработки T и мольной долей AlN в слое AlGaN n-типа.
Фиг. 2A-2H являются фотографиями поверхности электрода, каждая из которых показывает соотношение между температурой термообработки и текстурой поверхности n-электрода с четырехслойной структурой Ti/Al/Ti/Au.
Фиг. 3A и 3B являются фотографиями поверхности электрода, каждая из которых показывает отношение между температурой термообработки и текстурой поверхности p-электрода с двухслойной структурой Ni/Au.
Фиг. 4 является поперечным сечением, которое схематично показывает наслоенную структуру одного варианта воплощения нитридного полупроводникового элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 5 является видом сверху, показывающим схематично вид рисунка в плоскости в одном варианте воплощения нитридного полупроводникового элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 6A и 6B являются поперечными сечениями, схематично показывающими структуры электрода для p-электрода и n-электрода в одном варианте воплощения нитридного полупроводникового элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 7 является видом, который изображает результат эксперимента для подтверждения того, что слой ITO (оксида индия-олова) работает, как слой, предотвращающий диффузию Au.
Фиг. 8 является схемой технологического процесса, демонстрирующей в общих чертах способ формирования p-электрода и n-электрода в одном варианте воплощения нитридного полупроводникового элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 9A и 9B являются поперечными сечениями, которые схематично показывают структуры электрода для p-электродов и n-электродов в двух сравнительных примерах, используемых для эксперимента, подтверждающего соединение.
Фиг. 10 представляет собой поперечное сечение, схематично показывающее примерную структуру элемента обычного светоизлучающего диода.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0033] Вариант воплощения нитридного полупроводникового элемента в соответствии с настоящим изобретением будет описан со ссылкой на чертежи. Кроме того, на чертежах, используемых для последующего описания, при схематичном описании содержания настоящего изобретения особое значение придают существенной части для облегчения понимания описания, поэтому размерные отношения каждой части не всегда являются такими, как размерные отношения действительного элемента. Далее в данном документе данный вариант воплощения будет описан с учетом того, что нитридным полупроводниковым элементом настоящего изобретения является ультрафиолетовый светоизлучающий элемент, и кроме того, нитридный полупроводниковый элемент является светодиодом. Далее в описании нитридный полупроводниковый элемент просто называется “светоизлучающим элементом”.
[0034] Как показано на Фиг. 4 светоизлучающий элемент 1 согласно настоящему варианту воплощения имеет наслоенную структуру, в которой подложку используют как пластину 5, полученную так, что слой 3 AlN и слой 4 AlGaN выращены на сапфировой подложке 2 (соответствующей основной структурной части), и на этой пластине 5 последовательно изготовлена наслоенная структура из плакирующего слоя 6 n-типа, состоящего из AlGaN n-типа, активного слоя 7, электронного блокирующего слоя 8, состоящего из AlGaN p-типа с мольной долей Al больше, чем у активного слоя 7, плакирующего слоя 9 p-типа, состоящего из AlGaN p-типа, и контактного слоя 10 p-типа, состоящего из GaN p-типа. Активный слой 7, электронный блокирующий слой 8, плакирующий слой 9 p-типа и контактный слой 10 p-типа, предоставленные над плакирующим слоем 6 n-типа, частично удаляют реактивным ионным травлением, пока частично не вскрывается плакирующий слой 6 n-типа, и на плакирующем слое 6 n-типа в первой области R1 в плакирующем слое 6 n-типа формируют структурную часть 11 светоизлучающего элемента, включающую в себя от плакирующего слоя 6 n-типа до контактного слоя 10 p-типа. Как один из примеров, активный слой 7 имеет структуру с одной квантовой ямой, включающую в себя барьерный слой 7a, состоящий из AlGaN n-типа и имеющий толщину пленки 10 нм, и слой 7b с потенциальной ямой, состоящий из AlGaN и имеющий толщину пленки 3,5 нм. Активный слой 7 может иметь структуру двойного гетероперехода, в которой активный слой расположен между слоями AlGaN n-типа и p-типа, каждый из которых имеет высокую мольную долю Al, предоставленными как нижний слой и верхний слой, и может иметь структуру с множеством квантовых ям, в которой вышеупомянутые однослойные структуры с квантовой ямой наслаиваются. Кроме этого, p-электрод 12 формируют на поверхности контактного слоя 10 p-типа, а n-электрод 13 формируют на участке поверхности второй области R2, отличной от первой области R1, в плакирующем слое 6 n-типа.
[0035] Каждый слой AlGaN формируют с помощью хорошо известного способа эпитаксиального выращивания, например, металлоорганической газофазной эпитаксией (MOVPE) или молекулярно-пучковой эпитаксией (MBE), и, например, Si используют как донорную примесь для слоя n-типа, а Mg используют как акцепторную примесь для слоя p-типа. Помимо этого слой AlN и слой AlGaN, предоставленные непроводящими, являются нелегированными слоями, в которые не вводят примесь. Кроме того, мольные доли AlN в слое AlGaN n-типа и активном слое, т.е. мольные доли AlN в слое 4 AlGaN, плакирующем слое 6 n-типа и электронном блокирующем слое 8 составляют 20% или более и 100% или менее, а мольная доля AlN в активном слое 7 составляет 0% или более и 80% или менее. В соответствии с данным вариантом воплощения предполагается, что пик длины волны излучения светоизлучающего элемента 1 составляет 223 нм или больше и 365 нм или меньше. В соответствии с данным вариантом воплощения предполагается, что светоизлучающий элемент является светоизлучающим элементом с выходом излучения от задней поверхности, в котором свет, излученный из слоя 7b с квантовой ямой, выводится из сапфировой подложки 2, поэтому, как один из примеров, мольную долю AlN для слоя 4 AlGaN необходимо устанавливать выше, чем мольную долю AlN слоя 7b с квантовой ямой, и мольную долю AlN для слоя 4 AlGaN устанавливают равной мольной доле AlN плакирующего слоя 6 n-типа. Кроме того, мольная доля AlN для слоя 4 AlGaN может быть больше, чем мольная доля AlN плакирующего слоя 6 n-типа.
[0036] Что касается толщины пленки каждого слоя AlGaN в структурной части светоизлучающего элемента, отличного от активного слоя 7, то толщина плакирующего слоя 6 n-типа составляет 2000 нм, толщина электронного блокирующего слоя 8 составляет 2 нм, толщина плакирующего слоя 9 p-типа составляет 540 нм, и толщина p-контактного слоя 10 составляет 200 нм, например. Кроме того, относительно пластины 5 толщину пленки слоя 3 AlN устанавливают равной 2200 нм или более и 6600 нм или менее и более предпочтительно 3000 нм или более и 6000 нм или менее, а толщину пленки слоя 4 AlGaN устанавливают равной 200 нм или более и 300 нм или менее. Кроме того, согласно данному варианту воплощения, поскольку плакирующий слой 6 n-типа формируют на слое 4 AlGaN, как таком же слое AlGaN, то слой 4 AlGaN может иметь n-тип проводимости вместо нелегированного слоя, поэтому слой 4 AlGaN можно объединить с плакирующим слоем 6 n-типа, и пластина 5 может включать в себя только слой 3 AlN.
2
[0037] На Фиг. 5 показан пример рисунка светоизлучающего элемента 1 в плоскости. На Фиг. 5 показана первая область R1 и вторая область R2 до того, как формируют p-электрод 12 и n-электрод 13. В качестве примера p-электрод 12 формируют почти на всей поверхности первой области R1, а n-электрод 13 формируют почти на всей поверхности второй области R2. Кроме того, размер чипа, используемого в рабочем примере светоизлучающего элемента 1, который будет описан далее, составляет 800 мкм×800 мкм, и площадь первой области R1 составляет примерно 168000 мкм. Кроме того, первая область R1, показанная на Фиг. 4, является частью первой области R1, показанной на Фиг. 5.
[0038] В соответствии с этим вариантом воплощения, как будет описано далее, наслоенные структуры p-электрода 12 и n-электрода 13 являются характеристическими структурами, и поскольку p-электрод 12 формируют на слое AlGaN p-типа, n-электрод 13 формируют на слое AlGaN n-типа, получают структуру элемента, работающего как ультрафиолетовый светоизлучающий элемент, структуры пластины 5 и структурную часть 11 светоизлучающего элемента, и толщину пленки и состав каждого слоя можно изменить соответствующим образом.
[0039] Далее наслоенные структуры p-электрода 12 и n-электрода 13 будут описаны со ссылкой на Фиг. 6A и Фиг. 6B. Фиг. 6A показывает наслоенную структуру n-электрода 13, а Фиг. 6B показывает наслоенную структуру p-электрода 12. Согласно данному варианту воплощения n-электрод 13 имеет двухступенчатую структуру с n-электродной контактной частью 13a и n-электродной частью 13b контактной площадки, и n-электродная часть 13b контактной площадки и p-электрод 12 имеют одинаковую наслоенную структуру (общую наслоенную структуру), что является первой характерной особенностью. Кроме того, n-электродная контактная часть 13a включает в себя один или более металлических слоев, и n-электродная часть 13b контактной площадки и p-электрод 12 имеют в качестве самого верхнего слоя соединительный слой 14 Au и слой 15, предотвращающий диффузию Au, состоящий из проводящего оксида металла, для предотвращения диффузии Au, на нижней стороне слоя 14 Au, что является второй характерной особенностью.
[0040] Кроме того, в соответствии с этим вариантом воплощения один предпочтительный пример n-электродной контактной части 13a имеет трехслойную структуру, в которой Ti/Al/Ti с толщинами пленки 10 нм/100 нм/50 нм соответственно, наслаивают с нижней стороны слоя. Помимо этого в одном предпочтительном примере n-электродная часть 13b контактной площадки и p-электрод 12 имеют четырехслойную структуру (общую наслоенную структуру), в которой Ni/ITO/Ni/Au с толщинами пленки 60 нм/100 нм/10 нм/200 нм соответственно наслаивают с нижней стороны слоя. Здесь ITO (оксид индия - олова) соответствует слою 15, предотвращаемому диффузию Au. Слой 15, предотвращающий диффузию Au, может состоять из другого проводящего оксида металла, например ZnO или NiO, вместо ITO.
[0041] Что касается общей наслоенной структуры 12 и 13b в одном предпочтительном примере, касающемся p-электрода 12, то слой 16 Ni как самый нижний слой используют как металлический слой, который предпочтительно может создать омический контакт с контактным слоем 10 p-типа. В случае, когда слой 15, предотвращающий диффузию Au, может предпочтительно образовать омический контакт с контактным слоем 10 p-типа, слой 16 Ni как самый нижний слой можно исключить. В случае, когда слоем 15, предотвращающим диффузию Au, является слой ITO, слой 16 Ni как самый нижний слой можно исключить.
[0042] Помимо этого слой 17 Ni, образованный на слое 15 ITO, функционирует как соединительный слой для обеспечения соединительных свойств между слоем 14 Au и слоем 15 ITO, поэтому для толщины пленки достаточно несколько нм, и в этом варианте воплощения устанавливают толщину 10 нм. Если толщина пленки слоя 17 Ni как соединительного слоя увеличивается, то слой 17 Ni образует сплав со слоем 14 Au, поэтому в большинстве случаев толщина предпочтительно должна быть равна толщине слоя 14 Au или быть меньше половины толщины слоя 14 Au. Помимо этого в случае, когда адгезионные свойства между слоем 15, предотвращающим диффузию Au, и слоем 14 Au предпочтительно получены, то слой 17 Ni как соединительный слой можно исключить.
[0043] n-Электродная контактная часть 13a может иметь двухслойную структуру Ti/Al или однослойную структуру из Al, отличную от упомянутой выше трехслойной структуры. Более конкретно, n-электродная контактная часть 13a предпочтительно имеет структуру, в которой содержится Al, а Au не содержится.
[0044] Далее будет приведено описание результата эксперимента для доказательства того, что слой 15 ITO функционирует как слой, предотвращающий диффузию Au. Подтверждающий эксперимент выполняли так, что три металлических многослойных пленочных образца (образцы №1-№3) были приготовлены и подвергнуты процессу отжига быстрым термическим отжигом (RTA) при 450°C в течение 120 секунд в воздушной атмосфере, и после этого измеряли коэффициент отражения от поверхности металлической многослойной пленки. Образец №1 был изготовлен так, что на сапфировой подложке с нижней стороны слоя получили двухслойную пленку Au/Ni (с толщинами пленки 50 нм/60 нм соответственно) осаждением в вакууме. Образец №2 был изготовлен так, что на сапфировой подложке с нижней стороны слоя получили двухслойную пленку ITO/Ni (с толщинами пленки 100 нм/60 нм соответственно) осаждением в вакууме. Образец №3 был изготовлен так, что на сапфировой подложке с нижней стороны слоя получили трехслойную пленку Au/ITO/Ni (с толщинами пленки 50 нм/100 нм/60 нм соответственно) осаждением в вакууме. Коэффициент отражения измеряли таким образом, что каждую поверхность образца облучали ультрафиолетовым светом, имеющим длину волны от 250 нм до 400 нм, от источника ультрафиолетового света, а интенсивность отраженного света измеряли с помощью шарового фотометра.
[0045] Фиг. 7 показывает измеренный результат коэффициентов отражения. Как показано на Фиг. 7, в то время как почти не существует различия коэффициентов отражения между образцом №2 и образцом №3, существует различие коэффициентов отражения между образцом №1 и образцом №2 и между образцом №1 и образцом №3. Это означает, что не существует различия в текстуре поверхности многослойной пленки между образцом №2 и образцом №3, и существует различие в текстуре поверхности многослойной пленки между образцом №1 и образцом №2 и между образцом №1 и образцом №3. Тем самым, понятно, что Au образует сплав с Ni в образце №1, в то время как образование сплава Au с Ni в образце №3 предотвращается с помощью слоя ITO.
[0046] Далее способ изготовления каждого из p-электрода 12 и n-электрода 13 будет описан со ссылкой на технологический процесс на Фиг. 8.
[0047] Сначала в светоизлучающем элементе 1 формируют слои в пластине 5 и структурную часть 11 светоизлучающего элемента с помощью хорошо известных способов выращивания, описанных выше (этапы №1 и №2). После того, как пластина 5 и структурная часть 11 светоизлучающего элемента сформированы, формируют первый фоторезист (этап №3А), который выполняет функцию обратного рисунка n-электрода 13, а многослойную пленку Ti/Al/Ti, которая выполняет функцию n-электродной контактной частью 13а, осаждают на всю поверхность с помощью способа электронно-лучевого напыления или т.п. (этап №3B). Затем первый фоторезист удаляют посредством процесса отслаивания, многослойную пленку Ti/Al/Ti на первом фоторезисте удаляют так, что выполняют формирование рисунка (этап №3С), и проводят первый процесс отжига быстрым термическим отжигом (RTA) или т.п. (этап №3D), тем самым формируется n-электродная контактная часть 13а на поверхности плакирующего слоя 6 n-типа, который вскрывают во второй области R2 (этап 3). Температура первого процесса отжига должна быть установлена оптимальной, так чтобы контактное сопротивление с плакирующим слоем 6 n-типа могло быть снижено, из расчета мольной доли AlN плакирующего слоя 6 n-типа, который служит основой, и температуру процесса устанавливают в диапазоне от 600°C до 1000°C, предпочтительно 700-1000°C, например. Кроме этого, согласно данному варианту воплощения первый процесс отжига выполняют в течение 120 секунд в атмосфере азота, например. Следует отметить, что условие первого процесса отжига не ограничено условием, приведенным в данном варианте воплощения.
[0048] После того, как сформирована n-электродная контактная часть 13а, формируют второй фоторезист, который выполняет функцию обратного рисунка p-электрода 12, и n-электрод 13 (этап 4А), и многослойную пленку Ni/ITO/Ni/Au, которая выполняет функцию p-электрода 12 и n-электродной части 13b контактной площадки, осаждают на всю поверхность с помощью способа электронно-лучевого напыления или т.п. (этап № 4B). Затем второй фоторезист удаляют с помощью процесса отслаивания, удаляют многослойную пленку Ni/ITO/Ni/Au на втором фоторезисте так, что выполняют формирование рисунка (этап №4С), и проводят второй процесс отжига быстрым термическим отжигом (RTA) или т.п. (этап № 4D), в результате чего на поверхности контактного слоя 10 p-типа формируется p-электрод 12, а n-электродная часть 13b контактной площадки образуется на n-электродной контактной части 13а (этап 4). Температура второго процесса отжига должна быть установлена оптимальной, так чтобы контактное сопротивление с контактным слоем 10 p-типа могло быть снижено, и температуру процесса устанавливают в диапазоне от 400°C до 600°C, например. Кроме этого, согласно данному варианту воплощения второй процесс отжига проводят в течение 120 секунд в воздушной атмосфере, например. Следует отметить, что условие второго процесса отжига не ограничено условием, приведенным в данном варианте воплощения.
[0049] После этого поверхность электрода подвергают сухой очистке посредством процесса полирования (этап №5) и выполняют процесс сборки, например соединение (этап №6).
[0050] Далее будет приведено описание результата эксперимента, выполненного так, что соединение действительно выполняют с помощью проволок Au для p-электродов и n-электродов светоизлучающего элемента 1 в данном варианте воплощения (рабочий пример 1) и светоизлучающих элементов с традиционными структурами электрода (сравнительные примеры 1 и 2), чтобы определить, может или нет физически быть выполнено соединение.
[0051] Структуры n-электрода и p-электрода в рабочем примере 1, использованном в данном эксперименте, являются такими же, как структуры, показанные на Фиг. 6A и 6B, и образованы с помощью процессов, показанных на Фиг. 8. В первом процессе отжига температура обработки составляет 950°C, а время обработки составляет 60 секунд, и атмосферным газом является азот. Во втором процессе отжига температура обработки составляет 450°C, а время обработки составляет 120 секунд, и атмосферным газом является воздух.
[0052] Фиг. 9A показывает структуры n-электрода и p-электрода для сравнительного примера 1, использованного в данном эксперименте, а Фиг. 9B показывает структуры n-электрода и p-электрода для сравнительного примера 2, использованного в данном эксперименте. Для сравнительного примера 1 электродные структуры получают так, что формируют n-электрод, имеющий четырехслойную структуру Ti/Al/Ti/Au, и p-электрод, имеющий двухслойную структуру Ni/Au, и подвергают их процессу отжига отдельно. Толщины пленок слоев n-электрода в сравнительном примере 1 составляют 10 нм/100 нм/50 нм/100 нм c нижней стороны слоя, а температура обработки, время обработки и атмосферный газ для процесса отжига n-электрода являются такими же, как для первого процесса отжига в рабочем примере 1. Толщины пленок слоев p-электрода в сравнительном примере 1 составляют 60 нм/50 нм c нижней стороны слоя, а температура обработки, время обработки и атмосферный газ для процесса отжига p-электрода являются такими же, как для второго процесса отжига в рабочем примере 1. Сравнительный пример 2 имеет электродную структуру, в которой слой Ti/Au повторно образуют на каждой поверхности p-электрода и n-электрода в сравнительном примере 1 без выполнения процесса отжига. Толщины пленок образованного повторно слоя Ti/Au составляют 100 нм/200 нм с нижней стороны слоя. Помимо этого мольная доля AlN в AlGaN n-типа, который выполняет функцию основного слоя каждого из n-электродов в рабочем примере 1 и сравнительных примерах 1 и 2, составляет 60%, а основным слоем каждого из p-электродов в рабочем примере 1 и сравнительных примерах 1 и 2 является GaN p-типа.
[0053] В соответствии с результатом подтверждающего эксперимента в сравнительном примере 1 на каждой поверхности электрода не осталось достаточного количества Au, поскольку в самом верхнем слое образовался сплав Au, так что соединение физически не могло быть выполнено, в то время как в рабочем примере 1 (светоизлучающий элемент 1) и сравнительном примере 2 соединение преимущественно могло быть выполнено. В соответствии с этим результатом, следует понимать, что в отношении светоизлучающего элемента 1, поскольку слой 15 ITO предоставлен для каждого из n-электродной части 13b контактной площадки и p-электрода 12, можно предотвратить диффузию Au в самом верхнем слое, и можно предотвратить ухудшение каждой поверхности электрода.
[0054] Вариант воплощения светоизлучающего элемента 1 подробно описали ранее. Согласно вышеупомянутому варианту воплощения в качестве примера были описаны основная структурная часть и структурная часть светоизлучающего элемента, составляющая светоизлучающий элемент 1, пластина 5 и структурная часть 11 светоизлучающего элемента, показанные на Фиг. 4, но наслоенная структура, толщина пленки и мольная концентрация AlN в слое AlGaN, показанные в приведенном ранее описании, являются только одним примером, и пластина 5 и структурная часть 11 светоизлучающего элемента не ограничены вышеприведенным конкретным примером. Кроме того, плоская форма светоизлучающего элемента 1 не ограничена формой, показанной на Фиг. 5
[0055] Помимо этого способ формирования каждого из p-электрода 12 и n-электрода 13 не ограничен конкретным примером приведенного выше варианта воплощения, так что формирование рисунка для каждой из n-электродной контактной части 13а, p-электрода 12 и n-электродной части 13b контактной площадки не ограничено способом отслаивания, и можно использовать способ травления. В случае, когда используют способ травления, осаждение каждой многослойной пленки, формирование фоторезиста и порядок травления должны соответствовать хорошо известным способам травления, а рисунок n-электродной контактной части 13а можно сформировать большим, чем n-электрод 13.
[0056] Кроме того, согласно приведенному выше варианту воплощения предполагалось, что нитридный полупроводниковый элемент согласно настоящему изобретению является ультрафиолетовым светоизлучающим элементом и, кроме того, светодиодом, но структуру электрода и способ изготовления, описанные в приведенном выше варианте воплощения, можно применять к лазерному диоду и, кроме того, можно применять к элементу приема ультрафиолетового света.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0057] Нитридный полупроводниковый элемент согласно настоящему изобретению можно использовать для светодиода или т.п., в котором мольная доля AlN в плакирующем слое n-типа составляет 20% или больше, и он пригоден для улучшения текстуры поверхности каждого из p-электрода и n-электрода.
РАСШИФРОВКА ССЫЛОК
[0058] 1 Нитридный полупроводниковый элемент (светодиод)
2 Сапфировая подложка
3 Слой AlN
4 Слой AlGaN
5 Пластина (основная структурная часть)
6 Плакирующий слой n-типа (AlGaN n-типа)
7 Активный слой
7а Барьерный слой
7b Слой с потенциальной ямой
8 Электронный блокирующий слой (AlGaN p-типа)
9 Плакирующий слой p-типа (AlGaN p-типа)
10 p-Контактный слой (GaN p-типа)
11 Структурная часть светоизлучающего элемента (структурная часть элемента)
12 p-Электрод
13 n-Электрод
13а n-Электродная контактная часть
13b n-Электродная часть контактной площадки
14 Слой Au
15 Слой, предотвращающий диффузию Au (слой ITO)
16 Слой Ni
17 Слой Ni (соединительный слой)
R1 Первая область
R2 Вторая область