CN102623893A

CN102623893A - 氮化物系半导体发光元件

Info

Publication number: CN102623893A
Application number: CN2011104212176A
Authority: CN
Inventors: 口野启史; 井下京治; 井上升
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electronic Device Sales Co Ltd
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-08-01
Also published as: JP2012156347A

Abstract

本发明提供一种氮化物系半导体发光元件，其具备n型氮化物系半导体层和在n型氮化物系半导体层的表面上所形成的n侧电极，其中，该n侧电极包括：具有由Si构成的第一金属层和由Al构成的第二金属层的欧姆电极层；具有在欧姆电极层的与n型氮化物系半导体层的相反侧所形成的且由Au构成的第三金属层的衰减电极层；和在欧姆电极层和衰减电极层之间所形成的势垒层。

Description

氮化物系半导体发光元件

技术领域

本发明涉及氮化物系半导体发光元件，特别是涉及具备在n型氮化物系半导体层的表面上所形成的n侧电极的氮化物系半导体发光元件。

背景技术

历来，公知有具备在n型氮化物系半导体层的表面上所形成的n侧电极的氮化物系半导体发光元件等。这种氮化物系半导体发光元件例如被公开在特开2007-43099号公报中。

在特开2007-43099号公报中公开了在n型Gan基板的下表面上形成有n侧电极的氮化物系半导体激光器元件。该氮化物系半导体激光器元件中的n侧电极具有：与n型GaN基板的下表面接触的欧姆电极层和在欧姆电极层的下表面上所形成的衰减电极(pad electrode)层。另外，衰减电极层具有从靠近欧姆电极层一侧起顺次使非晶(amorphous)Si层、Ti层和作为最表层的Au层按该顺序层叠的结构。

在此，通常的情况是经由Au-Sn焊料等的熔敷层将半导体激光器元件的n侧电极与基座(sub mount)接合而制造半导体激光器元件。此时，为了使熔敷层熔融，经大约200℃～大约400℃的加热工艺，n侧电极被接合在基座上。另外，公知有由于加热工艺中的热处理温度，熔融的熔敷层(例如Au和Sn等)向n侧电极内扩散。因此，即使是在特开2007-43099号公报中公开的氮化物系半导体激光器元件所具有的n侧电极，也被认为有熔融的熔敷层向n侧电极内扩散。但是，在该n层电极的层结构中，熔融的熔敷层的成分(Au和Sn等)向衰减电极内的Au层扩散，而且不会在衰减电极层内留存而会越过Ti层和非晶Si层扩散到欧姆电极层之虞存在。此时，构成欧姆电极层的材料组成发生变质而引起的欧姆电极层所具有的欧姆性劣化的问题存在。欧姆性劣化时，导致n侧电极的电阻值上升。其结果会导致氮化物系半导体激光器元件的工作电压的上升。

发明内容

本发明的一方面的氮化物系半导体发光元件具备n型氮化物系半导体层和在n型氮化物系半导体层的表面上所形成的n侧电极，其中，该n侧电极包括：具有由Si构成的第一金属层和由Al构成的第二金属层的欧姆电极层；具有在欧姆电极层的与n型氮化物系半导体层的相反侧所形成的且由Au构成的第三金属层的衰减电极层；和在欧姆电极层和衰减电极层之间所形成的势垒层。还有，本发明中所谓由Si构成的第一金属层表示使用具有非晶(amorphous)结构的Si层而构成的金属层(金属膜)。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的蓝紫色半导体激光器元件的结构的立体图。

图2是表示本发明的一个实施方式的蓝紫色半导体激光器元件的n侧电极的详细层叠结构的剖面图。

图3是表示在本发明的一个实施方式的蓝紫色半导体激光器元件接合在基座(底座)上时的结构的剖面图。

图4是用于说明本发明的一个实施方式的蓝紫色半导体激光器元件的制造工艺的剖面图。

图5是表示为了确认本发明的效果所进行的实验结果(实施例)的图。

图6是表示为了确认本发明的效果所进行的实验结果(比较例)的图。

图7是表示对本发明的构成n侧电极的势垒层(Pd层)和构成欧姆电极层的Al层的各自的厚度范围进行研究的实验结果(I-V特性)的图。

图8是表示对本发明的构成n侧电极的势垒层(Pd层)和构成欧姆电极层的Al层的各自的厚度范围进行研究的实验结果(I-V特性)的图。

图9是表示对本发明的构成n侧电极的势垒层(Pd层)和构成欧姆电极层的Al层的各自的厚度范围进行研究的实验结果(I-V特性)的图。

图10是表示对本发明的构成n侧电极的势垒层(Pd层)和构成欧姆电极层的Al层的各自的厚度范围进行研究的实验结果(I-V特性)的图。

图11是表示对本发明的构成n侧电极的势垒层(Pd层)和构成欧姆电极层的Al层的各自的厚度范围进行研究的实验结果(I-V特性)的图。

图12是表示对本发明的构成n侧电极的势垒层(Pd层)和构成欧姆电极层的Al层的各自的厚度范围进行研究的实验结果(I-V特性)的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

首先，参照图1～图3，对本发明的一个实施方式的蓝紫色半导体激光器元件100的结构进行说明。还有，蓝紫色半导体激光器元件100是本发明的“氮化物系半导体发光元件”和“半导体激光器元件”的一例。

如图1所示，蓝紫色半导体激光器元件100具备：厚度大约为100μm的n型GaN基板1；和在n型GaN基板1的上表面(C2侧)上所形成的且包括活性层21的半导体元件层10。半导体元件层10由具有振荡波长约为405nm带的氮化物系半导体构成。另外，在蓝紫色半导体激光器元件100中，在半导体元件层10的上表面(C2侧)上形成有p侧衰减电极21，并且，在n型GaN基板1的下表面(C1侧)上形成有n侧电极22。还有，n型GaN基板1是本发明的“n型氮化物系半导体层”的一例。另外，下表面1a是本发明的“n型氮化物系半导体层的表面”的一例。

在半导体元件层10中，在n型GaN基板1的主表面上形成有具有大约2μm的厚度的且由n型AlGa构成的n型包覆层11。在n型包覆层11的上表面上形成有具有多重量子阱(MQW)结构的活性层12。该活性层12中各自具有大约30μm的厚度且由本征GaInN构成的4个屏障层(未图示)和各自具有大约7nm的厚度且由本征GaInN构成的3个阱层(未图示)被交互层叠。在活性层12的上表面上形成有具有大约0.5μm的厚度且由掺杂镁的p型AlGaN构成的p型包覆层13。p型包覆层13具有：沿着共振器的延伸方向(A方向)以条纹状(细长状)延伸的具有大约1.5μm的宽度的凸部13a、和凸部13a的宽度方向(B方向)的两侧(B1侧和B2侧)的具有大约80μm的厚度的平坦部13b。还有，活性层12是本发明的“发光层”的一例。

另外，在p型包覆层13的凸部13a上形成有具有大约3μm的厚度的且由本征GaInN构成的p侧接触层14。由该p侧接触层14和p型包覆层13的凸部13a构成具有大约1.5μm的宽度且在A方向上以条纹状延伸的脊部3。另外，通过该脊部3，构成蓝紫色半导体激光器元件100的光波导管。

另外，在p型包覆层13的凸部13a的两侧面上、平坦部13b的上表面上以及p侧接触层14的两侧面上，形成有具有大约0.3μm的厚度且由SiO₂构成电流阻挡层20。另外，电流阻挡层20以露出脊部3的上表面(p侧欧姆电极18的上表面)的方式形成。

另外，在p侧接触层14的上表面上，形成有从靠近p侧接触层14一侧起顺次由Pd层、Pt层以及Au层构成的p侧欧姆电极18。在p侧欧姆电极18的上表面和电流阻挡层20的上表面上，形成有从靠近p侧欧姆电极18一侧起顺次由具有大约0.1μm的厚度的Ti层、具有大约0.1μm的厚度的Pd层和具有大约3μm的厚度的Au层所构成的p侧衰减电极21。另外，在n型GaN基板1的下表面1a上形成有具有与p侧衰减电极21大致相同形状的n侧电极22。

在此，在本实施方式中，如图2所示，n侧电极22具有从靠近n型GaN基板1的一侧起顺次层叠有欧姆电极层30及势垒层35和衰减电极层40的结构。以下，说明各金属层(电极层)的结构和作用。

欧姆电极层30从靠近n型GaN基板1的下表面1a的一侧起顺次层叠有：具有大约8nm的厚度且由非晶Si构成的Si层31、具有大约6nm的厚度且由Pd构成的Pd层32和具有大约14nm的厚度且由Al构成的Al层33。还有，Si层31、Pd层32和Al层33分别是本发明的“第一金属层”、“第四金属层”和“第二金属层”的一例。

Si层31是与n型GaN基板1的下表面1a的界面接触的层状(膜状)的金属层，是为了n侧电极22得到与n型GaN基板1的良好的欧姆接触而设置的。另外，如图3所示，Si层31还具有保护蓝紫色半导体激光器元件100免受在将n侧电极22的下表面22a经由Au-Sn焊料等构成的熔敷层51接合在基座50的上表面50a的规定区域时的加热工艺所伴随的热影响的作用。另一方面，Al层33(厚度：大约14nm)以如下目的而设置，即在加热工艺引起Si层31沿n型GaN基板1的下表面1a而厚度变薄同时向周围扩散使得Si层31的欧姆性受损时，由于Al层33所具备的欧姆性，也可维持欧姆电极层30和n型GaN基板1的良好的欧姆接触。还有，Al层33也可以具有大约11nm以上大约17nm以下的范围的厚度。

Pd层32(厚度：大约6nm)是为了可靠地接合Si层31和Al层33而设置的。另外，即使在加热工艺时层状(膜状)的Si层31(厚度：大约8nm)厚度变薄同时向周围扩散时，Pd层32从微观上看，其一部分从层状态(膜状态)部分地中断的Si层31的间隙的部分到达n型GaN基板1的下表面1a，由此具有与n型GaN基板1部分接触的性质。也就是说，Pd层32可以在覆盖Si层31的同时Pd层32的一部分与n型GaN基板1的下表面1a接合，由此Pd层32具有维持厚度薄的Si层31和n型GaN基板1的下表面1a的接合状态的作用。

另外，在本实施方式中，Pd层32具有大约6nm的非常小的厚度。在此，Pd层32具有在增加厚度时反射率增加的性质。例如，在Pd层32按照与本实施方式不同的方式具有数十nm以上数百nm以下的厚度以膜厚状态形成的情况下，在由活性层12发出的光顺次透过n型包覆层11、n型GaN基板1和非晶Si层31到达Pd层32时，会发生由Si层31和Pd32的界面所反射的反射光再次照射到Si层31的状况。在此，通过真空蒸镀法等形成方法形成的Si层31，成为与Pd层32相接一侧的界面具有悬键(dangling bond)的状态(具有未与其他原子结合的未结合键的状态)。另外，公知有该悬键具有随着强光的照射作用而增加(缺陷密度增加)的性质，悬键的增加导致Si层31的导电率(电导度)降低。由此，通过极力减小(减薄)Pd层32的厚度，从而降低Pd层32的反射率，因此，悬键难以增加。根据这种理由，按照减薄Pd层32的厚度、使欧姆电极层30中的Si层31的导电率难以下降的方式构成。

另外，如图2所示，势垒层35是由Pd构成的金属层，具有大约1.5nm的厚度。势垒层35是为了将欧姆电极层30和衰减电极层40以层结构级别可靠地分离而设置的。即如下而构成：在将蓝紫色半导体激光器元件100接合在基座50(参照图3)的上表面50a上的加热工艺时，防止或抑制熔融的熔覆层51(参照图3)中所含的Au和Sn等金属成分经由后述的以Au为主体的衰减电极层40向欧姆电极层30侧扩散。在本实施方式中，通过由Pd构成的势垒层35，而使欧姆电极层30所具有的欧姆性得以维持。还有，由Pd构成的势垒层35可以具有大约0.1nm以上大约1.5nm以下的范围的厚度。因此，由Pd构成的势垒层35的厚度(大约1.5nm)比欧姆电极层30的Al层33的厚度(大约14nm)小。还有，由Pd构成的势垒层35是本发明的“第五金属层”的一例。还有，在图2中更忠实地示出构成n侧电极22的各金属层的厚度，但在图1和图3中，为了便于图示，而以大致把握n侧电极22的大致结构的方式示出各金属电极层。

另外，如图2所示，衰减电极层40从靠近势垒层35的下表面35a一侧起顺次层叠有：具有大约17nm厚度的由Au构成的Au层41、具有大约23nm厚度的由Ti构成的Ti层42、具有大约300nm厚度的由Au构成的Au层43。因此，势垒层35的厚度(大约1.5nm)比衰减电极层40的Au层41的厚度(大约17nm)小。另外，Ti层42是为了如下目的而设置的：在成为衰减电极层40的最表层的Au层43和熔敷层51(参照图3)在规定的热处理温度的条件下接触时，熔覆层51中所含的金属成分(Au和Sn等)向Au层43扩散后到达同欧姆电极层30接触的Au层41就得以抑制。因此，Ti层42也是具有阻挡功能的金属层。另外，Au层41的厚度(大约17nm)充分地比Au层43的厚度(大约300nm)小。另外，最表层的Au层43是以实现如下目的而形成的：实现在向基座50接合时与熔敷层51中所含的金属成分的共晶反应，最表层的Au层43可以具有大约300nm以上大约1μm以下的范围的厚度。还有，下表面35a是本发明的“势垒层的表面”的一例。另外，Au层41、Ti层42和Au层43分别是本发明的“第三金属层”、“第六金属层”和“第七金属层”的一例。

如此，在本实施方式中，从n型GaN基板1的下表面1a朝向n侧电极22的下表面22a，顺次层叠有作为欧姆电极层30的Si层31、Pd层32和Al层33；由Pd构成的势垒层35；和作为衰减电极层40的Au层41、Ti层42和Au层43，并且，以各个金属电极层相互接触的状态构成n侧电极22。还有，下表面22a是本发明的“n侧电极的最表面”的一例。

另外，如图1所示，就蓝紫色半导体激光器元件100而言，在共振器的延伸方向(A方向)的两端部，形成有相对于n型GaN基板1的主表面(上表面)大致垂直的一对共振器端面100a。在一对共振器端面100a上通过制造工艺中的端面涂覆处理而形成有由AlN膜或Al₂O₃膜等构成的电介体多层膜(未图示)。在此，电介体多层膜可以使用由GaN、AlN、BN、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、La₂O₃、SiN、AlON和MgF₂，或作为它们的混合比不同的材料的Ti₃O₅或N₂O₃等构成的多层膜。如此，构成蓝紫色半导体激光器元件100。

接着，参照图1、图2和图4对本发明的一个实施方式的蓝紫色半导体激光器元件100的制造工艺进行说明。

首先，如图4所示，使用有机金属气相成长(MOCVD)法，在n型GaN基板1的上表面(C2侧)上顺次层叠n型包覆层11、活性层12、p型包覆层13、p侧接触层14和p侧欧姆电极18。其后，使用光蚀刻法在p侧欧姆电极18的上表面上将掩膜(未图示)图案化后，将从掩膜露出的p侧欧姆电极18和下部的p侧接触层14以及p型包覆层13的一部分的区域通过蚀刻形成脊部3。其后，除去脊部3上残留的掩膜。

其后，使用等离子体CVD法或真空蒸镀法，以连续覆盖p型包覆层13的凸部13a以外的平坦部13b的上表面上、p侧欧姆电极18的上表面上和脊部3的两侧面的方式形成电流阻挡层20。其后，使用真空蒸镀法和剥离法(1iftoff)，在电流阻挡层20上和未形成电流阻挡层20的p侧欧姆电极18上形成p侧衰减电极21。

其后，如图4所示，以使n型GaN基板1具有规定厚度的方式对n型GaN基板1的下表面1a侧进行研磨，研磨所形成的粗糙层通过干蚀刻除去后，使用真空蒸镀法和剥离法，在n型GaN基板1的下表面1a(C1层)上以与n型GaN基板1接触的方式形成n侧电极22。

在此，在本实施方式的制造工艺中，首先，如图2所示，在保持大约30℃的真空中，使用真空蒸镀法，在n型GaN基板1的下表面1a上蒸镀具有大约8nm的厚度的Si层31。Si层31由于通过真空蒸镀法形成，所以作为非晶(amorphous)Si成膜。其后，以覆盖Si层31的方式蒸镀具有大约6nm的厚度的Pd层32。其后，以覆盖Pd层32的方式蒸镀具有大约14nm的厚度的Al层33。如此，形成欧姆电极层30。

其后，使用真空蒸镀法，在欧姆电极层30的下表面上形成具有大约1.5nm的厚度且由Pd构成的势垒层35。其后，在势垒层35的下表面35a上，顺次蒸镀具有大约17nm的厚度的Au层41、具有大约23nm的厚度的Ti层42和具有大约300nm的厚度的Au层43，从而形成衰减电极层40。由此，形成在欧姆电极层30的下表面上层叠有势垒层35和衰减电极层40的n侧电极22。如此，形成图4所示的晶片状态的蓝紫色半导体激光器元件100。

其后，以具有规定的共振器长度的方式沿B方向将晶片劈开为杆状。另外，如图4所示，在以点划线195表示的位置沿共振器延伸的方向(A方向(参照图1))进行元件分割(芯片化)。如此，形成蓝紫色半导体激光器元件100的芯片(参照图1)。

在本实施方式中，如上所述，在n侧电极22中，在欧姆电极层30和衰减电极层40之间，形成由Pd构成的势垒层35。如此，在蓝紫色半导体激光器元件100中，在经熔覆层51将n侧电极22接合在基座50上时，即使由于加热工艺而熔融的Au和Sn等的熔覆层51的成分在衰减电极层40内扩散，也因为在欧姆电极层30和衰减电极层40之间形成有势垒层35，所以熔融的熔覆层51的成分越过势垒层35扩散至欧姆电极层30得到抑制。其结果是，能够抑制接合时的加热工艺引起的欧姆电极层30所具有的欧姆性的劣化。

另外，在本实施方式中，由于Si层31由非晶Si构成，所以能够容易得到欧姆电极层30对n型GaN基板1的接触。

另外，在本实施方式中，Si层31与n型GaN基板1的下表面1a接触。由此，在n型GaN基板1和欧姆电极层30的界面Si层31直接接触，因此，能够实现良好的欧姆接触。

另外，在本实施方式中，Al层33的厚度(大约14nm)比Si层31的厚度(大约8nm)大，因此，即使在经熔覆层51将n侧电极22接合在基座50上时的加热工艺等引起的、Si层31在n型GaN基板1的下表面1a上扩散而厚度变薄时，也由于比Si层31厚的Al层33所具有的欧姆性，使得欧姆电极层30能够维持和n型GaN基板1的良好的欧姆接触。

另外，在本实施方式中，欧姆电极层30从靠近n型GaN基板1的下表面1a侧起顺次层叠有由非晶Si构成的Si层31、Pd层32和Al层33。由此，能够使用Pd层32可靠地连结(接合)Si层31和Al层33。由此，在欧姆电极层30中，能够抑制Si层31和Al层33的相互剥离。另外，因为Si层31和Al层33的导通状态可靠，所以能够有效抑制欧姆电极层30的电阻值增大。

另外，在本实施方式中，Pd层32不仅同Si层31的与n型GaN基板1的相反侧的表面接触、并且同Al层33的与势垒层35的相反侧的表面接触。由此，由于Pd层32，能够使得欧姆电极层30内的Si层31和Al层33可靠地接合。

另外，在本实施方式中，Pd层32的厚度(大约6nm)比Si层31的厚度(大约8nm)小。由此，即使活性层21发出的光向下方顺次透过n型GaN基板1和Si层31到达Pd层32，Si层31和Pd层32的界面的Pd层32的反射率会降低，该降低量是Pd层32的厚度比Si层31的厚度小的量，因此，能够减弱从Pd层32返回Si层31的反射光的强度。由此，即使成为使用真空蒸镀法形成的Si层31和Pd层32的界面具有悬键的状态，由于来自Pd层32的反射光少，因此，悬键的增加得以抑制。其结果是，能够抑制由悬键的增加引起的Si层31的导电率(电导度)的下降。

另外，在本实施方式中，势垒层35的厚度(大约1.5nm)比欧姆电极层30的Al层33的厚度(大约14nm)和衰减电极层40的Au层41的厚度(大约17nm)均小。由此，能够按势垒层35的厚度小的量减少势垒层35的厚度方向的电阻值。因此，能够维持势垒层35所具有的阻挡功能，同时极力抑制与n侧电极22内的欧姆电极层30和衰减电极层40所对应的势垒层35电阻的影响。

另外，在本实施方式中，势垒层35同Al层33的与Si层31相反侧的表面接触。由此，由于势垒层35和Al层33直接接触，所以能够以在势垒层35和Al层33之间不存在其他金属层的量，在势垒层35和Al层33之间不使不具有欧姆性的电阻层(电阻物)存在。因此，能够最大限度发挥欧姆电极层30的欧姆性，同时能够有效发挥势垒层35的阻挡功能。

另外，在本实施方式中，Au层41同势垒层35的与Al层33所接触一侧相反侧的表面接触。由此，即使在由加热工艺熔融的熔覆层51中所含的金属成分(Au和Sn等)容易在Au层41中扩散时，通过与Au层41直接接触的势垒层35，能够使得在Au层41中扩散的熔覆层51的成分越过势垒层35扩散到欧姆电极层30得以抑制。

另外，在本实施方式中，势垒层35通过由Pd构成的金属层构成。由此，能够有效抑制由加热工艺引起的在衰减电极层40内扩散的熔覆层51的成分越过由Pd构成的势垒层35扩散到欧姆电极层30。

另外，在本实施方式中，衰减电极层40从靠近势垒层35的下表面35a一侧起顺次层叠有Au层41、Ti层42和Au层43。由此，与由Au等单一金属层(单层)构成衰减电极层40的情况不同，通过在Au层41和Au层43之间所配置的Ti层42，能够使得在Au层43中扩散的熔覆层51的成分难以扩散到Au层41侧。例如，即使熔覆层51的成分扩散到Au层41，因为能够抑制扩散量至微量，所以能够更有效地使势垒层35所具有的阻挡功能作用。

另外，在本实施方式中，Ti层42同Au层31的与势垒层35的相反侧的表面接触，并且，Au层43同Ti层42的与Au层41所接触的一侧相反侧的表面接触。由此，通过对其他金属层的附着力优异的Ti层42，能够使衰减电极层40内的Au层41和Au层43可靠地接合。另外，即使在由于加热工艺熔融的熔覆层51的成分容易向Au层43中扩散时，由于与Au层43直接接触的Ti层42，也能够可靠地抑制向Au层43中扩散的熔覆层51的成分越过Ti层42扩散到Au层41。

另外，在本实施方式中，Au层41的厚度(大约17nm)比Au层43的厚度(大约300nm)小。由此，即使假设熔覆层51的成分越过Ti层42扩散到Au层41，也能够按Au层41的厚度比Au层43的厚度小的量将熔覆层51的成分向Au层41的扩散量抑制得较少。

另外，在本实施方式中，从n型GaN基板1的下表面1a朝向n侧电极22的下表面22a(最表面)，顺次层叠作为欧姆电极层30的Si层31、Pd层32和Al层33和由Pd构成的势垒层35以及作为衰减电极层40的Au层41、Ti层42和Au层43，并且，以使各个金属层相互接触的状态构成n侧电极22。即构成通过Si层31、Pd层32和Al层33可靠地维持欧姆性的欧姆电极层30，并构成通过Au层41、Ti层42和Au层43使加热工艺引起扩散的熔覆层51的成分难以向欧姆电极层30侧扩散的衰减电极层40。而且，因为设有与Al层33和Au层41接触的势垒层35，所以形成不使熔覆层51的成分从衰减电极层40侧扩散到欧姆电极层30侧的可靠结构。由此，能够有效抑制n侧电极22的欧姆性劣化，因此，能够可靠地得到工作电压难以上升的蓝紫色半导体激光器元件100。

另外，在本实施方式中，n侧电极22按照形成n侧电极22的最表面的Au层经熔覆层51与基座50的上表面50a接合的方式构成。由此，能够有效地利用具有大约300nm厚度的Au层43，容易地实现在n侧电极22经熔覆层51向基座50接合时的熔覆层51中所含的金属成分和Au层41的共晶反应，因此，能够可靠地将n侧电极22接合在基座50上。

另外，在本实施方式中，势垒层35的厚度(大约1.5nm)比构成欧姆电极层30的Si层31、Pd层32和Al层33各层的厚度以及构成衰减电极40的Au层41、Ti层42和Au层43的各层的厚度均要小。由此，能够极力降低势垒层35的厚度方向的电阻值，因此，不会对n侧电极22的欧姆性产生影响，能够隔离衰减电极层40和欧姆电极性30。还有，此时势垒层35的厚度可以为1.5nm以下。由此，能够维持阻挡功能，同时充分降低势垒层35的厚度方向的电阻值。

接着，参照图1、图2、图5和图6，对为了确认上述实施方式的效果而进行的与比较例对比的实验1进行说明。在该实验1中，制作作为与上述实施方式对应的实施例的n侧电极22(参照图1)，并且，制作作为与实施例相比的比较例的n侧电极，并对各个n侧电极所具有的欧姆性进行调查。还有，在实验1中，n侧电极以在本发明的“欧姆电极层”和“衰减电极层”之间设有“势垒层”为前提，在此基础上，验证在通过层叠多层金属层的多层结构(3层结构)构成本发明的“欧姆电极层”时，加热工艺的热处理温度对具有多层结构的“欧姆电极层”的欧姆性有何种程度的影响。而且，基于所得到的实验结果，进行本发明的n侧电极的评价。在如下所示的实施例和比较例的n侧电极中，均制作了在形成有“势垒层”的状态下“欧姆电极层”的层结构不同的试料。

首先，如图2所示，在作为与上述实施方式对应的实施例的n侧电极22的形成中，准备通过进行预表面研磨和蚀刻处理而使表面洁净化了的n型GaN基板1。而且，首先，使用真空蒸镀法在n型GaN基板1的上表面上，顺次层叠由非晶Si构成的Si层31、Pd层32和Al层33而形成3层结构的欧姆电极层30。各层的厚度以从靠近n型GaN基板的上表面一侧起顺次为8nm(Si层31)/6nm(Pd层32)/14nm(Al层33)。其后，在欧姆电极层30的上表面上形成具有大约1.5nm的厚度的由Pd层构成的势垒层35。而且，在势垒层35的上表面上顺次层叠Au层41、Ti层42和Au层43而形成具有3层结构的衰减电极层40。各层的厚度以从靠近势垒层35的上表面一侧起顺次为17nm(Au层41)/23nm(Ti层42)/300nm(Au层43)。还有，为了实验1，准备了合计5个样品(样品A1、A2、A3、A4和A5)的n侧电极22。

另外，在作为与上述实施例相比的比较例的n侧电极的形成中，在n型GaN基板1的上表面上，顺次层叠仅由Al层构成的单层欧姆电极层、由Pd层构成的势垒层和仅由Au层构成的单层衰减电极层，而形成具有3层结构的n侧电极。在此，各层的厚度以从靠近n型GaN基板一侧起顺次为6nm(Al层)/10nm(Pd层)/600nm(Au层)。在此，由于欧姆电极层为Al的单层，所以势垒层的厚度明显比实施例(1.5nm)厚，为10nm而构成。另外，作为比较例的n侧电极也准备合计5个样品(样品B1、B2、B3、B4和B5)。

而且，使用作为上述实施例和比较例所制作的n侧电极，调查了电极制作后施加的热处理温度下的电极的电流-电压特性(I-V特性)。具体地说，对样品A1和B1进行在100℃的热处理10分钟(加热处理)，对样品A2和B2进行在200℃的热处理10分钟，对样品A3和B3进行在250℃的热处理10分钟。同样，对样品A4和B4进行在300℃的热处理10分钟，对样品A5和B5进行在400℃的热处理10分钟。而且，对加热处理后的各个样品调查I-V特性。还有使用作为半导体特性测定器之一的半导体参数分析仪(电特性评价装置)来测定电流-电压特性。

其结果在图6中示出，在比较例中，对电极形成后的n侧电极进行了在100℃的热处理(加热处理)10分钟的样品B1，能够得到具有欧姆特性的I-V特性。另一方面，在进行了在200℃和250℃的热处理10分钟的样品B2和B3中，I-V特性具有非欧姆特性。另外，在进行了在300℃和400℃的热处理10分钟的样品B4和B5中，确认到即使施加电压，在n侧电极也几乎没有电流流动(在300℃的I-V特性和在400℃的I-V特性的曲线大致重叠)。根据其结果确认到：比较例的n侧电极会随着热处理温度上升而n侧电极具有的欧姆性劣化或n侧电极的电阻值显著增大。即判明了在通过单层(Al层)构成欧姆电极层时，n侧电极受到加热工艺的很大的影响(热影响)。因此，即使使用比较例中的n侧电极构成半导体激光器元件，将势垒层的厚度设定为10nm就能够抑制或防止从衰减电极层(Au层)侧熔覆层的扩散。但另一方面认为加热工艺的热影响引起欧姆电极层劣化。

相对于此，在上述实施例的n侧电极22中，如图5所示，样品A1～A5的情况下，在200℃的温度条件(样品A2)下，I-V特性显示一时未呈现欧姆性(直线性)，但是，在其他的100℃、250℃、300℃和400℃的各温度条件(样品A1、A3、A4和A5)下，能够得到具有欧姆性的I-V特性。另外，在100℃、250℃、300℃和400℃的各热处理温度中的I-V特性，虽然在各个曲线的斜率(电阻值R＝V/I)上具有一些偏差，但是总的来说具有相同的I-V特性。即判明了欧姆电极层30作为多层结构(Si层/Pd层/Al层)构成时，即使热处理温度上升，欧姆性也不会劣化，具备欧姆电极层30难以受到加热工艺的热影响的特征。

作为具有这种特征的背景，由于即使经过加热工艺而通过Pd层32也使Si层和AL层33被可靠地接合，所以均具有欧姆性的Si层31和Al层33不会相互剥离而导通被认为是要因之一。另外，通过设置由Pd构成的势垒层35，防止或抑制由加热工艺引起衰减电极层40的Au层41的金属成分向欧姆电极层30侧扩散，也被认为是另外的要因。因此，使用实施例的n侧电极22构成半导体激光器元件时，即使在比n侧电极22的形成时的温度高的温度条件下对半导体激光器元件等实施规定的制造工艺时(例如，使用Au-Sn焊料的粘晶(热压)、光蚀刻技术中的烘烤工序等的大约200℃～大约300℃的加热处理工序、或向衰减电极层40的引线键合(wire bonding)工序等)，也能够形成维持n侧电极22的欧姆性的半导体激光器元件。

接着，参照图2和图7～图12，关于为了调查构成上述实施例的n侧电极22的势垒层35的Pd层的范围(最佳值)而进行的实验2和为了调查构成上述实施例的n侧电极22的欧姆电极层30的Al层33的范围(最佳值)而进行的实验3，进行以下说明。还有，图7～图12中，将实验2和实验3的结果在相同的曲线图上标注示出。

首先，在实验2中，调查了在使上述实施例中的n侧电极22中的势垒层35(参照图2)的厚度变化时的、按热处理温度的电极的电流-电压特性(I-V特性)。具体地说，还制作了Pd层的厚度除了如上述实施例所示的1.5nm(实验上的基准值)的n侧电极22(样品A0～A5共6个样品)之外的、为3nm的n侧电极(样品C0～C5共6个样品)。而且，样品A0和C0不进行热处理，另一方面，分别进行样品A1和C1在100℃的、样品A2和C2在200℃的、样品A3和C3在250℃的、样品A4和C4在300℃的、样品A5和C5在400℃的热处理10分钟，且对各样品调查I-V特性。还有，构成n侧电极的其他的欧姆电极层30(Si层、Pd层和Al层)以及衰减电极层40(Au层/Ti层/Au层)的各层的厚度，按与实验1中使用的实施例相同的厚度形成。

另外，在实验3中，调查了在使上述实施例中的n侧电极22中的欧姆电极层30(参照图2)中的Al层33的厚度变化时的、按热处理温度的电极的电流-电压特性(I-V特性)。具体地说，还分别制作在Al层33的厚度除了如上述实施例所示的14nm(实验上的基准值)的n侧电极22(样品A0～A5共6个样品)之外的、为11nm(样品D0～D5共6个样品)和17nm(样品E0～E5个样品)的n侧电极(欧姆电极层)。而且，样品A0、D0和E0不进行热处理，另一方面，分别进行样品A1、D1和E1在100℃的热处理10分钟，样品A2、D2和E2在200℃的热处理10分钟，样品A3、D3和E3在250℃的热处理10分钟，样品A4、D4和E4在300℃的热处理10分钟，样品A5、D5和E5在400℃的热处理10分钟，对各样品调查I-V特性。还有，构成n侧电极的其他的欧姆电极层30(Si层31和Pd层32)以及衰减电极层40(Au层41/Ti层42/Au层43)的各层的厚度，形成为与实验1中使用的实施例相同的厚度。

首先，在上述实验2中，如图7～图12所示的结果明确可以判明，在热处理温度除200℃的情况以外的其他的条件(紧接着电极形成后、100℃加热后、250℃加热后、300℃加热后和400℃加热后)下，势垒层35(Pd层)的厚度为1.5nm的情况(A0、A1、A3、A4和A5)比3nm的情况(样品C0、C1、C3、C4和C5)具有良好的I-V特性。在除200℃以外的各温度条件下，根据曲线的斜率(电阻值R＝V/I)进行判断，势垒层35的厚度小的，n侧电极的电阻值(接触电阻)低。根据该结果，作为势垒层35的厚度，如果能够维持阻挡功能，则优选尽可能低小。此时，至少上述实施例中所示的1.5nm为优选，另外，还可得到1.5以下作为势垒层也有用的结论。

另外，在上述实验3中，如图7～图12所示的结果明确可以判明，在热处理温度除200℃的情况以外的其他的条件(紧接着电极形成后、100℃加热后、250℃加热后、300℃加热后和400℃加热后)下，构成欧姆电极层30的Al层33的厚度，以实施例所示的14nm的情况(样品A群)为基准，11nm的情况(样品D群)或17nm的情况(样品E群)的至少一种情况具有比14nm的情况(基准值)良好的I-V特性。即可知Al层33具有大约11nm以上大约17nm以下的范围的厚度而形成时，无损欧姆电极层30的欧姆性。

还有，在本次所公开的实施方式中，全部的点都是示例，并非是限定。本发明的范围并非限于上述实施方式的说明，而是由权利要求书所示出，另外，也包含与权利要求书相同的含义和在范围内的所有变更。

例如，在上述实施方式中，示例了将本发明的“氮化物系半导体发光元件”适用于蓝紫色半导体激光器元件100，但本发明并不限定于此。例如，也可以将本发明的“氮化物系半导体发光元件”适用于具备n侧电极的LED等的半导体发光元件。

另外，在上述实施方式中，示例了顺次层叠作为欧姆电极层30的Si层31(第一金属层)、Pd层32(第四金属层的一例)和Al层33(第二金属层)和由Pd构成的势垒层35(第五金属层)以及作为阻挡电阻层40的Au层41(第三金属层)、Ti层42(第六金属层的一例)和Au层43(第七金属层的一例)来构成n侧电极层22，但本发明并不限定于此。在本发明中，可以通过Si层31和Al层33、和Pd层32以外的第四金属层构成欧姆电极层。另外，也可以通过Au层41、和Ti层42以外的第六金属层和Au层以外的第七金属层构成衰减电极层。另外，作为构成势垒层的第五金属层，可以使用作为Pd以外的金属，例如由Pt等构成的第五金属层构成势垒层。势垒层中使用Pt等也能够得到与Pd层(势垒层35)同样的阻挡功能。

另外，在上述实施方式中，示例了在n型GaN基板1的下表面1a上形成n侧电极22，但本发明并不限定于此。例如，也可以在n型GaN基板1上形成半导体元件层10而形成氮化物系半导体激光器元件的晶片后，将晶片的p侧衰减电极21侧作为接合面接合在由Ge等构成的支承基板上。而且，也可以在从晶片除去GaN基板1而露出的n型包覆层11的下表面上，形成本发明的“n侧电极”构成氮化物系半导体激光器元件。还有，n型包覆层11是本发明的“n型氮化物系半导体层”的一例。

另外，在上述实施方式中，示例了在n型GaN基板1的下表面1a上形成具有与p侧衰减电极21大致相同形状的n侧电极22，但本发明并不限定于此。也可以按照覆盖下表面1a上的一部分区域或大致全面的方式将n侧电极22图案化地形成。

另外，在上述实施方式中，示例了在半导体元件层10上形成向上方突出的脊部3而形成蓝紫色半导体激光器元件，但本发明并不限定于此。也可以形成具有将脊部埋入由SiO₂或Al₂O₃构成的电流阻挡层的屈折率分布导波型的脊导波结构的氮化物系半导体激光器元件。或者，也可以在平坦的上部包覆层上形成具有条纹状的开口部的电流阻挡层而形成设有电流通路部的增益导波型的氮化物系半导体激光器元件。

另外，在上述实施方式中，示例了通过AlGaN或InGaN等的氮化物系半导体层形成半导体元件层10，但本发明并不限定于此，也可以通过AlN、InN、BN、TlN和它们的混晶构成的纤维锌矿(wurtzite)结构的氮化物系半导体层形成半导体元件层10。

另外，在上述实施方式中，示例了使用SiO₂形成电流阻挡层20，但本发明并不限定于此。例如也可以使用SiN等的其他绝缘性材料、或AlInP和AlGaN等的半导体材料形成电流阻挡层。

例如，在上述实施方式中，示例了将本发明的“氮化物系半导体发光元件”适用于蓝紫色半导体激光器元件100，但本发明并不限定于此。也可以在n型GaN基板1上形成蓝紫色半导体激光器元件以外的、例如蓝色半导体激光器元件或绿色半导体激光器元件。

Claims

1.一种氮化物系半导体发光元件，其具备n型氮化物系半导体层和在所述n型氮化物系半导体层的表面上所形成的n侧电极，其中，

该n侧电极包括：具有由Si构成的第一金属层和由Al构成的第二金属层的欧姆电极层；在所述欧姆电极层的与所述n型氮化物系半导体层的相反侧所形成的且具有由Au构成的第三金属层的衰减电极层；在所述欧姆电极层和所述衰减电极层之间所形成的势垒层。

2.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Si构成的第一金属层，由非晶硅构成。

3.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Si构成的第一金属层同所述n型氮化物系半导体层的表面接触。

4.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Al构成的第二金属层的厚度，大于所述由Si构成的第一金属层的厚度。

5.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述欧姆电极层除了所述由Si构成的第一金属层和所述由Al构成的第二金属层之外，还具备由Pd构成的第四金属层，

所述欧姆电极层从靠近所述n型氮化物系半导体层的表面一侧起顺次层叠有所述由Si构成的第一金属层、所述由Pd构成的第四金属层和所述由Al构成的第二金属层。

6.根据权利要求5所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Pd构成的第四金属层不仅同所述由Si构成的第一金属层的与所述n型氮化物系半导体层的相反侧的表面接触，并且同所述由Al构成的第二金属层的与所述势垒层的相反侧的表面接触。

7.根据权利要求5所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Pd构成的第四金属层的厚度，小于所述由Si构成的第一金属层的厚度。

8.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述势垒层的厚度比所述欧姆电极层的所述由Al构成的第二金属层的厚度、及所述衰减电极层的所述由Au构成的第三金属层的厚度均要小。

9.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述势垒层同所述由Al构成的第二金属层的与所述第一金属层的相反侧的表面接触。

10.根据权利要求9所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Au构成的第三金属层同所述势垒层的与所述由Al构成的第二金属层所接触的一侧的相反侧的表面接触。

11.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述势垒层由第五金属层构成，该第五金属层由Pd或Pt构成。

12.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述衰减电极层除了所述由Au构成的第三金属层之外，还具有由Ti构成的第六金属层和由Au构成的第七金属层，

所述衰减电极层从靠近所述势垒层的表面的一侧起顺次层叠有所述由Au构成的第三金属层、所述由Ti构成的第六金属层和所述由Au构成的第七金属层。

13.根据权利要求12所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Ti构成的第六金属层同所述由Au构成的第三金属层的与所述势垒层的相反侧的表面接触，并且所述由Au构成的第七金属层同所述第六金属层的与所述第三金属层所接触的一侧的相反侧的表面接触。

14.根据权利要求12所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述由Au构成的第三金属层的厚度，小于所述由Au构成的第七金属层的厚度。

15.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述欧姆电极层包括：同所述n型氮化物系半导体层的表面接触的所述由Si构成的第一金属层；同所述第一金属层的与所述n型氮化物系半导体层相反侧的表面接触的由Pd构成的第四金属层；和同所述第四金属层的与所述第一金属层相反侧的表面接触的所述由Al构成的第二金属层，

所述势垒层由第五金属层构成，该第五金属层同所述第二金属层的与所述第四金属层的相反侧的表面接触且由Pd构成，

所述衰减电极层包括：同所述第五金属层的与所述第二金属层的相反侧的表面接触的所述由Au构成的第三金属层；同所述第三金属层的与所述第五金属层的相反侧的表面接触的由Ti构成的第六金属层；和同所述第六金属层的与所述第三金属层的相反侧的表面接触且形成所述n侧电极的最表面的由Au构成的第七金属层。

16.根据权利要求15所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述n侧电极按照形成所述n侧电极的且由Au构成的第七金属层经由熔覆层被接合在基座上的方式构成。

17.根据权利要求15所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

构成所述势垒层的所述第五金属层的厚度，比构成所述欧姆电极层的所述第一金属层的厚度、所述第四金属层的厚度和所述第二金属层的厚度以及构成所述衰减电极层的所述第三金属层的厚度、所述第六金属层的厚度和所述第七金属层的厚度均要小。

18.根据权利要求17所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述势垒层的厚度为1.5nm以下。

19.根据权利要求1所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

还具备：在所述n型氮化物系半导体层的与所述n侧电极的相反侧的表面上所形成的发光层；在所述发光层的表面上所形成的p型氮化物系半导体层，

所述氮化物系半导体元件是包括所述n型氮化物系半导体层、所述发光层和所述p型氮化物系半导体层的半导体发光元件。

20.根据权利要求19所述的氮化物系半导体发光元件，其中，

所述发光层包括活性层，

所述半导体发光元件是半导体激光器元件。