CN100449694C - 氮化物半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的氮化物半导体发光装置由硅衬底(1)、在其上配置的具有发光功能的主半导体区(3)及在主半导体区(3)上配置的p型半导体层(8)构成。主半导体区(3)由n型半导体层(6)、活性层(7)和p型半导体层(8)构成。透光性电极(10)由Ag合金构成。在透光性电极(10)的Ag合金中掺入了用以抑制氧化或硫化的添加元素。掺入了添加元素的Ag合金稳定性高且透光性及欧姆性优异。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光元件、电子器件等的氮化物半导体装置。
背景技术
作为使用氮化镓(GaN)等氮化物半导体的发光二极管的透光性电极，在日本特开平11-186599号公报(以下称为专利文献1)中公开了设置厚度20nm以下的银(Ag)电极的方案。银电极与氮化物半导体较良好地欧姆接触。另外，银电极也与电阻率较大的p型氮化物半导体较良好地欧姆接触。另外，若设银电极的厚度在20nm以下，则可透过具有350～600nm左右的波长的光，因此可将银电极用作透光电极。特别是对于400nm以下的波长显示出较大的透射率(例如60％以上)。在氮化物半导体发光装置中，对于光取出侧电极要求欧姆性和透光性这两方面，因此银电极适合作为光取出侧电极。另外，不发射光的FET等氮化物半导体装置的电极仅要求欧姆性，银电极可满足该要求。
可是，银电极在10～100℃左右的较低温度中化学性能不稳定，容易氧化及硫化。另外，当用蒸镀法形成银电极时有时出现银以岛状凝聚的情况。若银电极氧化或硫化，则氮化物半导体与银电极的接触电阻增加，半导体装置的电气特性会下降。
专利文献1：日本特开平11-186599号公报
发明内容
本发明要解决的是不能将氮化物半导体装置的电极容易且稳定性良好地形成的课题。因而，本发明的目的是提供能够容易且稳定性良好地形成电极的氮化物半导体装置。
用以解决上述课题的本发明的氮化物半导体装置，其特征在于设有氮化物半导体区以及在该氮化物半导体区的主面上形成的电极，所述电极由Ag与从Au、Cu、Pd、Nd、Si、Ir、Ni、W、Zn、Ga、Ti、Mg、Y、In及Sn中选择的至少1种添加元素的合金即Ag合金构成。
还有，所述添加元素对所述Ag的比例最好为0.5～10重量％。
另外，设有氮化物半导体区以及在该氮化物半导体区的主面形成的电极，所述电极最好是由Ag与从Cu、Au、Pd、Ir及Ni中选择的至少1种第一添加元素和从Nd、Si、W、Zn、Ga、Ti、Mg、Y、In及Sn中选择的至少1种第二添加元素的合金。
另外，最好所述第一添加元素对所述Ag的比例是大于0.5重量％且小于10重量％的值，所述第二添加元素对所述Ag的比例是大于0.5重量％且小于10重量％的值，所述第一及第二添加元素的总和对所述Ag的比例为0.5～10重量％。
另外，最好所述氮化物半导体区包含用以形成半导体发光元件的多个半导体层，所述电极在所述多个半导体层内的光取出面侧的半导体层形成，其厚度形成为可使光透过。
依据本发明，可借助于添加元素的作用来防止银的氧化或硫化或这两方面，能够容易地形成对氮化物半导体的接触电阻小的电极。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的半导体发光元件的剖视图。
图2是表示本发明实施例2的半导体发光元件的剖视图。
图3是表示本发明实施例3的半导体发光元件的剖视图。
(符号说明)
1衬底，3主半导体区，4阳电极，5阴电极，10由Ag合金构成的透光性电极。
具体实施方式
以下，参照图1～图3说明与本发明实施方式有关的半导体发光装置。
实施例1
图1所示的本发明实施例1的半导体发光装置由具有导电性的硅衬底1、缓冲层2、具有发光功能的主半导体区3、作为第一电极的阳电极4及作为第二电极的阴电极5构成。主半导体区3为了构成双异质结结构的发光二极管，一般设有称为n型包覆层的n型半导体层6、有源层7和一般称为p型包覆层的p型半导体层8。还有，缓冲层2也可认为是主半导体区3的一部分。主半导体区3的详细情况将在后面描述。
硅衬底1具有例如5×1018cm-3～5×1019cm-3的例如n型杂质浓度，且具有0.0001～0.01Ω·cm的电阻率，作为阳电极4与阴电极5之间的电流通路起作用。为了机械地支持缓冲层2、主半导体区3，该硅衬底1具有300～1000μm的厚度。
在硅衬底1的一方主面上通过公知的气相生长方法形成的n型缓冲层2具有由例如多层AlN和GaN重复配置的多层淀积结构的缓冲层。
构成双异质结结构的发光二极管的主半导体区3在缓冲层2上通过公知的气相生长法形成。在缓冲层2的正上方形成的n型半导体层6，最好是在例如用化学式AlxInyGa1-x-yN表示的氮化物半导体中掺杂了n型杂质的半导体层，这里x及y是满足0≤x＜1、0≤y＜1的数值，若为n型GaN则更好。
n型半导体层6上的有源层7最好是例如用化学式AlxInyGa1-x-yN表示的非掺杂的氮化物半导体，这里x及y是满足0≤x＜1、0≤y＜1的数值，若为InGaN则更好。还有，在图1中有源层7简化为一层而示出，但实际上具有公知的多重量子阱结构。当然，有源层7也可用一层构成。另外，也可采用省去有源层7，使n型半导体层6与p型半导体层8直接接触的结构。另外，该实施例中有源层52中未掺杂导电型确定杂质，但可掺杂p型或n型杂质。
在有源层7上配置的p型半导体层8最好是在例如用化学式AlxInyGa1-x-yN表示的氮化物半导体中掺杂了p型杂质的半导体层，这里x及y是满足0≤x＜1、0≤y＜1的数值，若为p型GaN则更好。
阳电极4由透光性电极10和焊盘电极11构成。透光性电极10覆盖具有发光功能的主半导体区3的主面即由氮化物半导体构成的p型半导体层8的基本上整个主面12，与p型半导体层8欧姆接触(低电阻接触)。透光性电极10具有使从有源层7发射的光透过的功能与对p型半导体层8欧姆接触的功能。p型半导体层8的主面12的全部或大部分设有透光性电极10，因此从平面上看，使电流能够流过焊盘电极11外周侧的主半导体区3。
为获得透光性与欧姆性这两方面特性，透光性电极10由银(Ag)为主成分的合金即Ag合金形成，并具有可使400～600nm波长的光透过的1～20nm厚度。用以形成透光性电极10的Ag合金的构成最好为：
Ag90～99.5重量％
添加元素0.5～10重量％。
所述添加元素具有抑制Ag或Ag合金的氧化或硫化或这两方面的功能，最好是从Cu(铜)、Au(金)、Pd(钯)、Nd(钕)、Si(硅)、Ir(铱)、Ni(镍)、W(钨)、Zn(锌)、Ga(镓)、Ti(钛)、Mg(镁)、Y(钇)、In(铟)及Sn(锡)中选择的一种或多种。
为抑制氧化与硫化这两方面，所述添加元素使用Au(金)。
为抑制氧化，使用从Cu(铜)、Au(金)、Pd(钯)、Ir(铱)及Ni(镍)中选择的一种或多种第一添加元素。
为抑制硫化，使用从Au(金)、Nd(钕)、Si(硅)、W(钨)、Zn(锌)、Ga(镓)、Ti(钛)、Mg(镁)、Y(钇)、In(铟)及Sn(锡)选择的一种或多种第二添加元素。
为抑制氧化与硫化这两方面，使用上述第一添加元素与第二添加元素两方。
若发生Ag或Ag合金构成的透光性电极10的氧化或硫化或这两方面，则透光性电极10与主半导体区3之间的欧姆接触恶化，阳电极4与阴电极5之间的正向电压降变大。
若使用上述添加元素内的从In(铟)、Sn(锡)、Ti(钛)、Pd(钯)及Ni(镍)中选择的一种或多种，则可改善透光性电极10与主半导体区3及焊盘电极11之间的密合性。因而，在要求改善密合性时，除向Ag添加用以抑制氧化或硫化的元素以外还添加具有改善上述的密合性的效果的元素。
若Ag合金中的相对于Ag的添加元素比例增大，则氧化或硫化的抑制效果及可能在蒸镀银时产生的银的岛状凝聚的抑制效果增大。但是，添加元素的比例增大时，透光性电极10与主半导体区3之间的接触电阻增大。因而，元素添加的比例最好确定为：在使用本发明的Ag合金时的透光性电极10与主半导体区3之间的接触电阻与伴随以往作为透光性电极仅使用Ag时产生的氧化或硫化的透光性电极与主半导体区之间的接触电阻相同或更小。
考虑所述接触电阻与所述成本中的任一方面或两方面，最好将添加元素对Ag的比例设为0.5～10重量％。若添加元素的比例少于0.5重量％，则难以获得期望的抑制氧化或硫化的效果，若大于10重量％，则难以获得期望值以下的接触电阻。添加元素的更优选的比例为1.5～5重量％，最优选的比例为3.5～4.5重量％。
作为透光性电极10，用公知的方法将含有4重量％Au的Ag合金蒸镀在p型半导体层8上，在形成焊盘电极11后，实施500℃的热处理来完成图1所示的半导体发光装置，测定该半导体发光装置中有30mA的正向电流流过时的阳电极4与阴电极5之间的正向电压的结果为3.5V。
另外，使用含有2重量％Cu、含有2重量％Zn的Ag合金，与上述的含有Au的Ag合金时同样地形成透光性电极10，也同样地测定正向电压，结果为3.6V。
另外，用含有4重量％Cu的Ag合金，与上述用含有Au的Ag合金时同样形成透光性电极10，并同样地测定正向电压，结果为3.55V。
另外，用含有4重量％Zn的Ag合金，与上述的含有Au的Ag合金时同样形成透光性电极10，并同样地测定正向电压，结果为3.65V。
为作比较而仅用Ag，与上述使用含有Au的Ag合金时同样形成透光性电极，并测定正向电压，结果为3.7V。
另外，为作比较而与上述的使用含有Au的Ag合金时同样形成在Ag层上设置TiO2层的透光性电极，并测定正向电压，结果为3.8V。
阳电极4中的焊盘电极11是焊接导线(未图示)等的连接件的部分，由透光性电极10上形成的Ti(钛)层11a和在该Ti(钛)层11a上形成的Au(金)层11b构成。由于焊盘电极11不透光，为不妨碍来自透光性电极10的光取出而仅设置在例如平面形状四边形的透光性电极10的中央的一部分上。透光性电极10与焊盘电极11电连接，因此起到使电流也流过与主半导体区3的焊盘电极11相对的部分的外周侧的功能。
阴电极5设于硅衬底1的下面13，与硅衬底1欧姆接触。还有，也可将阴电极5设于硅衬底1或缓冲层2或n型半导体层6的上面。
若在阳电极4与阴电极5之间施加正向电压，则光从有源层7向透光性电极10侧与阴电极5侧这两方向发射。从有源层7向透光性电极10侧发射的光从未被焊盘电极11覆盖的部分取出到外部。从有源层7向阴电极5侧发射的光经阴电极5反射后回到透光性电极10侧，被取出到外部。
本实施例具有如下效果。
(1)可通过构成透光性电极10的Ag合金的添加元素的作用，防止银的氧化或硫化或这两方面或蒸镀时的银的凝聚，并可容易地形成与氮化物半导体的接触电阻小的电极。
(2)可提供透光性和欧姆性这两方面均良好的透光性电极10。
(3)专利文献1中公开了为实现Ag电极的稳定化而在Ag电极上设置TiO2层的方案。若这样为稳定化而设置TiO2层，则需要为此设置特别的工序，导致发光二极管的制造成本增大。与此相比，本实施例中，不需要为Ag的稳定化而设置特别的层，因此可减小发光二极管的制造成本。
实施例2
接着，参照图2说明本发明实施例2的半导体发光元件。但是，在图2及后述的图3中，与图1基本相同的部分采用同一符号，并省略其说明。
图2的实施例2的半导体发光元件省略了图1的缓冲层2，在n型半导体层6与硅衬底1之间设置光反射层20，其它与图1基本相同地形成。光反射层20最好用与实施例1的透光性电极10相同的Ag合金形成。但是，光反射层20可换成Ag或其它金属或半导体多层结构的光反射层。这里的光反射层20通过将图2中用点划线区分表示的主半导体区3侧的Ag合金构成的第一贴合层20a和在衬底1侧的由Ag合金构成的第二贴合层(点划线)20b例如伴随250～400℃的热处理而热压接来形成。该热压接时，使Ag或Ag合金材料彼此扩散，因此可将该热压接的接合称为扩散接合。
光反射层20为阻止此处的光透射而最好具有50nm以上的厚度。另外，为了良好地得到主半导体区3对衬底1的粘接功能，最好将光反射层2的厚度设为80nm以上。但是，若光反射层2的厚度超过1500nm，则光反射层20上会发生裂缝。因而，光反射层20的优选厚度为50～1500nm，更优选的厚度为80～1000nm。
从有源层7向光反射层20侧发射的光在光反射层20向主半导体区3的主面12侧反射后取出到外部。
图2的实施例2的半导体发光元件与实施例1同样具有透光性电极10，除了具有与实施例1相同的效果以外，还具有增大光反射层20的光取出效率的效果。
另外，在半导体发光元件的特性及制造成本上，实施例2的半导体发光元件优于日本特开2002-217450号公报所示的传统半导体发光元件。即，日本特开2002-217450号公报所示的传统半导体发光元件中，在光反射层与主半导体区之间分散配置了接触用合金层。与此相比，实施例2的半导体发光元件未设有相当于传统半导体发光元件的接触用合金层的层。因此，可使光反射层20与主半导体区3及硅衬底1的基本上整个主面接触。因而，本实施例的半导体发光元件具有比所述日本特开2002-217450号公报大的光反射量，且具有较小的正向电压。另外，由于未设置与所述特开2002-217450号公报所示的接触用合金层相当的层，可相应地减少制造成本。
另外，通过用与透光性电极10与光反射层20相同的Ag合金来形成，可降低制造成本。
实施例3
图3所示的实施例3的半导体发光元件在图1上增加了电流阻挡层21与保护膜22，其它与图1相同。该电流阻挡层21配置在焊盘电极11的正下方的、透光性电极11与主半导体区3的一方主面12之间配置。若未设有电流阻挡层21，则在有源层7的与焊盘电极11相对的部分有电流流过，即使从这里发射光，该光也被非透光性的焊盘电极11遮挡。因而，有源层7的与焊盘电极11相对的部分上流过的电流是对光取出无贡献的电流。因此，抑制在与有源层7的焊盘电极11相对的部分的电流，对提高发光效率很重要。图3的电流阻挡层21由硅氧化物等的绝缘膜构成且配置在主半导体区3的一方主面12的与焊盘电极11相对的区域，因此抑制了上述的对发光无贡献的电流，有助于增大主半导体区3的外周侧部分的电流而提高发光效率。从平面上看，即从与主半导体区3的一方主面12垂直的方向看，电流阻挡层21在包含焊盘电极11内侧的至少一部分的图案上形成。
图3的保护膜22由绝缘膜构成，覆盖主半导体区3及缓冲层2的侧面。该保护膜22可用与电流阻挡层21相同的绝缘物形成。
实施例3的半导体发光元件除具有与实施例1相同的效果以外，还具有电流阻挡层21和保护膜22的效果。
也可将图3的电流阻挡层21及保护膜22设于图2的半导体发光元件上。
本发明并不限于上述的实施例，例如可进行如下变形。
(1)也可在晶体管、FET、高电子迁移率晶体管即HEMT(HighElectron Mobility Transistor)半导体激光器、光探测器、太阳能电池等的其它氮化物半导体装置的电极上使用本发明的Ag合金。
(2)可在光反射层20与n型半导体层6之间设置由AlInGaN等构成的缓冲层。
(3)可取代硅衬底1而使用具有导电性的SiC衬底、金属衬底等的其它导电性衬底或蓝宝石等的绝缘衬底。
(4)若衬底1为金属衬底时，可作为电极使用而省略第二电极5。
(5)可将主半导体区3的各层的导电型设为与各实施例相反。
(6)可将图2中衬底1用可与Ag或Ag合金扩散接合的金属形成，可省略衬底1侧的贴合层20b。
(7)可在图1及图3中硅衬底1与阴电极5之间按公知方式配置光反射层。
Claims (3)
1.一种氮化物半导体装置，其特征在于设有氮化物半导体区以及在该氮化物半导体区的主面形成的电极，所述电极由Ag与从Au、Cu、Pd、Nd、Si、Ir、Ni、W、Zn、Ga、Ti、Mg、Y、In及Sn中选择的1种添加元素的合金构成，
所述添加元素对所述Ag的比例为0.5～10重量％。
2.一种氮化物半导体装置，其特征在于设有氮化物半导体区以及在该氮化物半导体区的主面形成的电极，所述电极由Ag与从Au、Cu、Pd、Nd、Si、Ir、Ni、W、Zn、Ga、Ti、Mg、Y、In及Sn中选择的多种添加元素的合金构成，
所述添加元素对所述Ag的比例为0.5～10重量％。
3.如权利要求1或2所述的氮化物半导体装置，其特征在于：所述氮化物半导体区包含用以形成半导体发光元件的多个半导体层，所述电极在所述多个半导体层内的光取出面侧的半导体层形成，且其厚度形成为可使400～600nm波长的光透过的1～20nm。
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